Le blocage Rydberg induit un fort couplage entre photons

La sixième et dernière leçon a présenté un aperçu des effets d’optique non-linéaire géants que produit l’effet de blocage Rydberg pour des champs optiques se propageant dans un ensemble dense d’atomes. L’effet repose sur le phénomène de transparence électromagnétiquement induite (TEI) (electromagnetically induced transparency ou EIT en anglais). Nous avons donc commencé par rappeler ce qu’est la TEI habituelle (c’est-à-dire pour un gaz d’atomes évoluant entre des niveaux modérément excités), avant d’en voir les effets lorsque l’un des niveaux concernés est un état de Rydberg fortement excité.

Un milieu atomique fortement absorbant pour un faisceau sonde résonnant sur une transition optique entre un état fondamental |b> et un état excité |e> devient transparent pour cette sonde en présence d’un faisceau pompe (ou « faisceau contrôle ») satisfaisant une condition de résonance à deux photons vers un troisième niveau |a> (les trois niveaux |b>, |a> et |e> formant une configuration en Λ ou en échelon). Par interférence quantique, l’état |e> devient un « état noir » non couplé au rayonnement. L’effet se produit dans une fenêtre de transparence en fréquence étroite autour de la condition de résonance. Les photons de la sonde se couplent fortement à une « onde de spin » atomique portant les atomes du milieu dans une superposition des états |a> et |b>. La sonde couplée à l’onde de spin devient une onde de « polariton d’état noir » (dark state polariton) se propageant dans le milieu avec une vitesse de groupe beaucoup plus petite que dans le vide (« lumière lente »). Cet effet est dû à une variation très rapide sur la largeur de la fenêtre de transparence de l’indice de réfraction vu par la sonde.

Un effet dispersif analogue se produit pour une sonde non résonnante avec la transition |b>-|e>, lorsque sonde et pompe satisfont une condition de résonance à deux photons sur la transition |b>-|a>. L’indice de réfraction (réel) vu par la sonde devient égal à 1 dans une fenêtre de non-réfraction étroite, la sonde non réfractée se propageant lentement dans le milieu sous forme de « polariton d’état noir ». Nous avons décrit en détail ces effets de transparence électromagnétiquement induite qui ont fait l’objet de nombreuses études théoriques et expérimentales au cours des vingt dernières années. Ces effets sont souvent réalisés dans des ensembles d’atomes froids. La vitesse très faible des atomes rend alors négligeables les déphasages Doppler auxquels la condition d’établissement du polariton d’état noir est très sensible. De plus, ces gaz peuvent avoir, malgré leur faible densité absolue, une grande densité optique (en absence de faisceau contrôle), ce qui est une condition nécessaire à l’observation de la TEI. Le concept de « polariton d’état noir » associé à la TEI est très voisin de celui décrit lors de la leçon précédente. Ce polariton décrit la propagation d’une onde mixte, atomique et photonique dans le milieu, et la lumière lente correspond à la transformation adiabatique quasi-complète de l’onde lumineuse en onde de spin atomique lorsque la lumière a pénétré dans le milieu atomique optiquement dense.

Nous avons ensuite étudié ce qui se passe lorsque le niveau |a> est un état de Rydberg (dans une confguration en échelon |b>, |e>, |a>). Le phénomène de TEI peut se produire pour la propagation d’un paquet d’onde à un seul photon car il n’y a alors qu’un seul atome excité dans l’état |a> impliqué. Supposons qu’en présence du champ contrôle, le paquet sonde à un photon se propage sous forme de lumière lente dans un milieu ayant une forme de pinceau cylindrique très fin et qu’en son milieu on excite (à l’aide d’un faisceau de laser transversal) un atome dans un état de Rydberg. Le blocage Rydberg va avoir un effet spectaculaire sur la transparence électromagnétiquement induite le long du milieu cylindrique. Lorsque le « polariton à un photon » approche de l’atome excité, le polariton est détruit car deux excitations Rydberg ne peuvent cohabiter dans un rayon de blocage. Le milieu devient alors opaque pour le photon qui est absorbé, l’état |e> n’étant plus un état noir et diffusant rapidement ce photon. Si l’atome bloquant est préparé dans une superposition d’état de Rydberg et d’état fondamental, on réalise une porte quantique qui, avec une certaine amplitude de probabilité, bloque le photon, et avec une amplitude complémentaire le laisse passer.

Des phénomènes analogues sont attendus dans le cas où le milieu est non-résonnant pour le photon. En présence du champ contrôle, le photon se propage sans dispersion à vitesse de groupe lente tant qu’il n’a pas rencontré l’atome « bloquant ». Il « voit » lorsqu’il approche de cet atome une « lame » dont l’épaisseur est de l’ordre de deux fois le rayon de blocage. La condition de non-dispersion est alors détruite et la traversée de cette « lame » s’accompagne d’un déphasage du photon. Ce déphasage dépend de l’état de l’atome bloquant. Si celui-ci est dans une superposition de l’état de Rydberg et de l’état fondamental, on réalise une situation d’intrication, superposant un état où un photon déphasé est associé à l’état de Rydberg de l’atome « bloquant » et un photon non déphasé à cet atome bloquant dans son état fondamental.

Ces situations n’ont à notre connaissance pas été réalisées sous cette forme idéale, mais des expériences ont récemment démontré les effets d’interaction entre photons dans un milieu cylindrique soumis à la TEI. La leçon a brièvement décrit une de ces expériences, réalisée au MIT. Dans un premier temps, elle a consisté à observer le pic de transmission électromagnétiquement induit par un champ contrôle en fonction de l’intensité du champ sonde, dans le cas d’une configuration en échelon dans laquelle le niveau supérieur est un état de Rydberg fortement excité. La saturation de la transmission apparaît clairement dès que le champ contient plus d’un photon à la fois dans le milieu, ce qui démontre bien l’effet de forte non-linéarité décrit plus haut. L’expérience s’est poursuivie en mesurant la statistique des photons transmis par le milieu soumis à la TIE. Elle a constaté un effet de dégroupement de photons, démontrant que la transparence électromagnétiquement induite ne laisse effectivement passer qu’un photon à la fois dans le milieu. L’analyse quantitative de ces expériences et d’autres situations analogues est assez complexe car elle implique la résolution d’une hiérarchie d’équations non-linéaires d’évolution couplées. Cette analyse sortait du cadre de ce cours qui s’est contenté d’une description qualitative de ces effets.

La physique des atomes de Rydberg froids en interaction est très riche et ce cours n’a pu en donner qu’un aspect très partiel. Un certain nombre d’effets non décrits dans le cours ont été évoqués dans les séminaires qui l’accompagnaient.