L'électrodynamique quantique des nanomatériaux à base de carbone

Les nanotechnologies exploitent des matériaux et des dispositifs de très petite dimension, de l'ordre des molécules ou des atomes. À cette échelle, de nombreux matériaux présentent des propriétés uniques, exotiques et extraordinaires, par rapport aux mêmes matériaux à l'état brut. Le comportement des nanomatériaux peut être décrit par la mécanique quantique, d'une manière bien différente de la mécanique classique.

Le projet QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures), financé par l'UE, a regroupé quatre équipes de scientifiques en vue de créer une base théorique afin d'utiliser des nanostructures de carbone pour fabriquer de nouveaux dispositifs d'optoélectronique, d'échelle nanométrique. Les nanomatériaux à base de carbone comme les nanotubes et le graphène ont des propriétés électriques, optiques et magnétiques étonnantes, qui ont soulevé un très grand intérêt. Des scientifiques étudient les interactions de nanostructures de carbone et de la lumière quantique, afin de concevoir des théories d'électrodynamique quantique (QED) et de leurs effets dans ces matériaux.

La QED est une théorie quantique de la force électrodynamique qui intervient dans les interactions de particules chargées avec un champ électromagnétique. Elle décrit mathématiquement toutes les interactions de la lumière avec la matière, ainsi que les interactions entre des particules chargées. C'est l'une des théories physiques les plus efficaces proposées à ce jour.

Durant la première période, l'équipe a réalisé d'excellents progrès dans tous les domaines. Les scientifiques ont travaillé à une théorie QED du graphène et de ses états électroniques, sous l'effet d'un champ électromagnétique quantifié. Ils ont également fait avancer la théorie des propriétés électroniques des nanotubes de carbone en présence de lumière quantique, ainsi que les théories proposées pour la QED de la cavité des nanotubes de carbone. Celle-ci décrit le comportement des atomes et des photons confinés dans une cavité très restreinte, apportant un modèle expérimental de comportements quantiques bien différents de ceux qui surviennent dans un espace libre.

Enfin, l'équipe a formulé des théories sur les propriétés des nanotubes de carbone et du graphène dans la plage des térahertz. Cette gamme de fréquence fait l'objet de travaux et de développement intensifs, conduisant à de nouveaux dispositifs pour l'imagerie, la médecine, la biologie et l'espace, entre autres.

Le rapprochement de la recherche sur l'optique quantique avec la recherche sur la matière condensée et son expertise des nanostructures, classiquement pour des systèmes atomiques ou moléculaires, ouvrira de nouveaux marchés à ces deux domaines.