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Un « photon » microonde disparaît dans un réseau de jonctions Josephson supraconductrices


​Tout se passe comme si un photon microonde en interaction avec une petite jonction supraconductrice était scindé en plusieurs photons de moindre énergie ! C'est le scénario proposé par un chercheur de l'Irig pour interpréter des expériences récentes utilisant un réseau de jonctions Josephson supraconductrices.
Publié le 9 juin 2021

Les photons se propagent dans le vide en conservant leur énergie. Par contre, en interagissant avec la matière, ils peuvent faire surgir des photons d'énergie supérieure, grâce à des processus comme le doublement de fréquence ou l'absorption à deux photons. Ainsi, deux photons peuvent-ils « fusionner » en un nouveau photon dont l'énergie est la somme des énergies des photons initiaux. C'est la non-linéarité de l'interaction entre la lumière et la matière qui rend possible cette transformation.

Inversement, un photon peut-il disparaître spontanément en produisant des photons d'énergie plus faible ? La physique quantique l'autorise alors que la physique classique l'interdit. Ce processus a pu être utilisé pour produire des paires de « photons intriqués » (formant un état quantique unique). Cependant, la « fission » spontanée d'un photon visible ou infra-rouge est extrêmement peu efficace : elle ne concerne que quelques photons sur un million traversant un cristal non-linéaire.

Les réseaux de jonctions Josephson connectant des îlots supraconducteurs offrent un environnement favorable à de telles expériences dans le domaine microonde. Les charges électriques y sont organisées en paires de Cooper et les oscillations du champ électromagnétique (photons) qu'elles génèrent se propagent aux fréquences micro-ondes. De plus, il est aisé d'introduire une non-linéarité extrêmement forte pour ces photons en réduisant la taille de l'une des jonctions du réseau. 

Des chercheurs de l'Irig et de l'Université de Yale (États-Unis) ont établi que cette non-linéarité est particulièrement efficace pour « briser » un photon résonant par un processus de fluorescence qui crée un photon quasi-résonant, accompagné de plusieurs photons de basse énergie.

Le temps de vie des photons a été mesuré dans plusieurs circuits supraconducteurs à l'Université du Maryland (États-Unis). La théorie qui attribue la disparition des photons résonants à leur fluorescence en photons quasi-résonants a permis d'interpréter les résultats pour des circuits caractérisés par une impédance effective du réseau de jonctions Josephson supérieure au quantum de résistance.

En dehors de ce régime, d'autres processus entrent en compétition avec la fluorescence. À ce jour, il n'existe pas de théorie pour en rendre compte. De ce point de vue, les expériences ont réalisé une « simulation quantique » d'un problème d'« impureté quantique » : la petite jonction couplée au réseau de grosses jonctions. La photonique microonde apparaît comme un domaine prometteur pour étudier d'autres systèmes quantiques complexes.


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