Des scientifiques ont découvert que la lumière obéit aux règles quantiques — une découverte qui pourrait changer la physique

Un comportement inattendu pour la lumière

En physique, certains phénomènes sont considérés comme des acquis. L’effet Hall quantique (EHQ) en fait partie : il décrit comment un champ magnétique influence les électrons, permettant aux scientifiques de réaliser des mesures d’une précision extrême. Mais que se passerait-il si ce comportement n’était pas l’apanage des électrons ?

Une équipe internationale de chercheurs vient de faire une observation stupéfiante : la lumière elle-même, composée de photons, peut adopter un comportement similaire. Cette avancée, qui semblait théoriquement complexe, pourrait bien ouvrir un nouveau chapitre dans le domaine de la mesure et des technologies quantiques.

La force de cet effet Hall quantique, qu’il concerne les électrons ou désormais la lumière, réside dans son ancrage aux principes les plus fondamentaux de l’univers. C’est cette nature immuable qui en fait un mécanisme de mesure d’une valeur inestimable pour la science.

Aux origines : la découverte de Klaus von Klitzing

Pour comprendre la portée de cette nouvelle étude, il faut remonter plus de quarante ans en arrière. Tôt le matin du 5 février 1980, le scientifique allemand Klaus von Klitzing mène une expérience qui va changer la physique. Il observe qu’en appliquant un champ magnétique puissant à angle droit d’un courant électrique, une tension apparaît dans une direction latérale.

Plus fascinant encore, cette tension n’augmente pas de manière continue et linéaire. Elle progresse par sauts, formant des paliers à des valeurs très spécifiques. Von Klitzing venait de fournir la preuve expérimentale de l’effet Hall quantique. Cette particularité quantique s’est révélée être un outil formidable pour mesurer les champs magnétiques avec une précision immense et pour déterminer les niveaux de dopage dans les matériaux.

Cette découverte majeure ne passera pas inaperçue. Cinq ans plus tard, Klaus von Klitzing se verra décerner le prix Nobel de physique pour ses travaux révolutionnaires.

Une constante universelle au service de la mesure

L’aspect le plus remarquable des paliers de tension découverts par von Klitzing est leur caractère fondamental. Ils constituent une constante immuable. Peu importent le matériau utilisé, sa forme ou la quantité d’imperfections qu’il contient, ces régions plates restent stables. Pourquoi une telle robustesse ?

La réponse se trouve au cœur même de notre univers. Ce comportement quantique est intrinsèquement lié à deux de ses propriétés fondamentales : la constante de Planck et la charge de l’électron. Grâce à cette nature fondamentale, l’effet Hall quantique est rapidement devenu un pilier de la métrologie, la science de la mesure.

Son impact est si concret qu’en novembre 2018, la Conférence générale des poids et mesures a voté pour redéfinir officiellement le kilogramme. Fini, l’objet physique conservé dans un coffre en France depuis 130 ans. La nouvelle définition s’appuie désormais sur la constante de Planck, en utilisant l’EHQ. Cette décision permet aux laboratoires du monde entier de réaliser des étalonnages d’une précision extrême lors de leurs expériences.

Le défi : observer l’effet Hall sur les photons

Si l’utilité de cet effet Hall quantifié a été immédiatement comprise pour les électrons, une question demeurait : ce phénomène leur était-il exclusif ? Après tout, la logique est simple. Les électrons, porteurs d’une charge électrique, réagissent naturellement aux champs électriques et magnétiques. Les photons, les particules de lumière, n’ont aucune charge électrique et ne devraient donc pas interagir avec ces champs.

Pourtant, une nouvelle étude publiée dans la revue Physical Review X vient de prouver le contraire. Menée par une équipe internationale, elle rapporte la toute première observation d’une dérive quantifiée de la lumière. L’effet Hall quantique n’est donc pas réservé aux électrons. Philippe St-Jean, co-auteur de l’étude et chercheur à l’Université de Montréal, souligne la difficulté de l’exploit dans un communiqué de presse : « La lumière dérive d’une manière quantifiée, suivant des étapes universelles analogues à celles observées avec les électrons sous de forts champs magnétiques ».

Il précise le défi technique : « Observer une dérive quantifiée de la lumière est particulièrement difficile, car les systèmes photoniques sont intrinsèquement hors d’équilibre. Contrairement aux électrons, la lumière exige un contrôle, une manipulation et une stabilisation précis ».

De nouvelles portes pour la science et la technologie

Cette maîtrise de la lumière à un niveau quantique ouvre des perspectives vertigineuses, notamment en métrologie. Philippe St-Jean l’explique en revenant sur l’exemple du kilogramme : « Aujourd’hui, le kilogramme est défini sur la base de constantes fondamentales à l’aide d’un dispositif électromécanique qui compare le courant électrique à la masse. Pour que ce courant soit parfaitement calibré, nous avons besoin d’un étalon universel pour la résistance électrique. Les plateaux de Hall quantiques nous donnent exactement cela. Grâce à eux, chaque pays du monde partage une définition identique de la masse, sans dépendre d’artefacts physiques ».

Au-delà de la mesure, cette découverte pourrait mener à la création de capteurs d’une précision inégalée, capables de détecter la moindre déviation par rapport à une quantification parfaite. Elle promet également d’améliorer considérablement les systèmes quantiques photoniques, qui sont au cœur de nombreuses technologies d’avenir.

Plus de quarante ans après l’observation fondatrice de von Klitzing, l’effet Hall quantique démontre qu’il a encore le pouvoir de nous surprendre et de redéfinir les frontières de la physique.

Selon la source : popularmechanics.com