Comment un berceau de Newton pour les photons pourrait révéler les secrets de la photosynthèse

Stefan Steinbauer Unsplash

Un dispositif populaire pour démontrer la conservation de l'énergie et de l'élan est le berceau de Newton - une série de boules suspendues en contact les unes avec les autres. L'appareil dans sa forme moderne a probablement été conçu dans les années 1960, puis vendu comme jouet de bureau. Mais Newton, et plusieurs autres au 17ème siècle, connaissaient bien sa physique.

Ces principes ont une application universelle. Elles s'appliquent aussi bien à l'échelle cosmologique qu'à l'échelle humaine. Elles s'appliquent également à l'échelle atomique et subatomique, quoique modifiées par les étranges lois de la mécanique quantique.

Et cela soulève une question intéressante : est-il possible de construire l'équivalent quantique d'un berceau de Newton en utilisant des particules subatomiques, comme les photons ?

Aujourd'hui, nous obtenons une réponse grâce au travail de Zhen Feng de l'Université Jiao Tong de Shanghai en Chine et d'un groupe de collègues. Ces physiciens ont créé un berceau de Newton à partir de photons et affirment que la physique impliquée pourrait aider à expliquer une gamme de processus de transfert d'énergie mal compris dans la nature, tels que la photosynthèse et la détection des odeurs.

Un berceau de Newton est un appareil simple. Une démonstration commence en soulevant et en laissant tomber la balle à une extrémité de la série suspendue. Lorsque cette balle entre en collision avec la suivante en ligne, elle transfère son énergie et son élan. La deuxième balle transfère alors son énergie et son élan à la balle suivante et ainsi de suite, jusqu'à ce que la dernière balle soit propulsée dans les airs. Il s'éloigne puis recule, moment auquel le processus de transfert d'énergie et d'impulsion se répète dans la direction opposée.

La beauté de l'appareil est que le transfert d'énergie et d'impulsion n'a pas besoin d'être contrôlé à chaque étape. Au lieu de cela, l'appareil est conçu de manière à garantir que le transfert se produit par lui-même. La seule influence de l'expérimentateur est sur la condition aux limites - la hauteur à laquelle la première balle est soulevée.

La question que Zhen et ses collaborateurs étudient est de savoir si un système similaire peut être conçu pour fonctionner avec des photons. Leur équivalent du berceau est une série de guides d'ondes gravés dans une puce photonique. Un photon pénètre dans le premier guide d'onde, puis saute au suivant, et ainsi de suite, jusqu'à ce qu'il sorte du dernier guide d'onde. Au total, il y a 23 guides d'ondes dans cette chaîne.

Fondamentalement, le photon doit conserver son identité quantique lors de chaque saut. Il ne peut donc y avoir de décohérence : le photon qui émerge doit être visiblement le même que celui qui est entré dans l'appareil

Un facteur clé est le couplage entre les guides d'ondes. Cela détermine si le photon peut réussir le saut ou s'il est réfléchi ou absorbé.

La façon dont la puce photonique est conçue est donc cruciale. En effet, Zhen et co ont perfectionné leur conception afin qu'il n'y ait pas besoin de contrôler chaque saut - cela se produit simplement de la même manière que les transferts d'énergie d'une balle à l'autre dans le berceau d'un Newton. La chaîne est capable de transférer de l'énergie entre deux sites distants avec le même mode d'échange d'énergie et la mécanique d'interaction du berceau de Newton, disent Zhen et co.

L'équipe a également introduit du bruit dans le berceau pour voir comment cela réduit l'efficacité du transfert. Ils le font en ajoutant un guide d'ondes supplémentaire - un site insulaire - à côté de la chaîne. Cela apparaît comme une impasse pour les photons et semblerait empêcher ou réduire le transfert d'énergie. Selon les chercheurs, le site insulaire nouvellement ajouté peut être considéré comme un bruit, un défaut ou un environnement pour la chaîne contrôlée par les frontières d'origine.

Mais contre toute attente, c'est le contraire qui se produit. Zhen et co montrent qu'il existe une large gamme de conditions dans lesquelles ce bruit améliore l'efficacité de la transmission au lieu de la réduire : On peut obtenir une augmentation de 8% passant de 77% (sans défaut) à 85% (avec défaut).

Cela présente certaines similitudes avec les observations de transfert d'énergie chez les êtres vivants. Il s'avère que les systèmes photosynthétiques se comportent de manière similaire. Divers groupes de recherche ont remarqué que les défauts semblent améliorer le transfert d'énergie à travers les structures moléculaires géantes impliquées dans la photosynthèse. Un effet similaire se produit dans la détection des odeurs, qui est largement considérée comme un phénomène quantique.

Pouvoir reproduire cet effet déroutant dans un système artificiel permettra aux chercheurs de l'étudier plus en détail. En effet, le berceau photonique de Newton est appelé à devenir un modèle utile pour mieux comprendre les processus de la vie. Newton aurait été étonné.

Réf : arxiv.org/abs/1901.07574 : Berceau photonique de Newton pour le transport d'énergie à distance

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