L’effet Hanbury Brown–Twiss (HBT) est un phénomène de corrélation statistique entre photons, découvert dans les années 1950 par Robert Hanbury Brown et Richard Q. Twiss.

Principe

Au lieu de mesurer directement les interférences d’un faisceau lumineux (comme dans un interféromètre classique), on mesure les corrélations temporelles entre les photons détectés par deux détecteurs.

L’expérience typique consiste à :

Diviser un faisceau lumineux avec une lame séparatrice.
Envoyer chaque moitié vers un photodétecteur.
Mesurer la probabilité que les deux détecteurs enregistrent un photon simultanément.

On définit alors la fonction de corrélation d’ordre 2 :

$g(2)(τ)g^{(2)}(\tau)$

où $τ\tau$ est le retard temporel entre les deux détections.

Ce que mesure le HBT

Lumière thermique (lampe, étoile, plasma)

Les photons ont tendance à arriver en « paquets » (bunching) :

$g^{(2)}(0)=2$

On observe plus de coïncidences que prévu au hasard.

Laser idéal

Les photons arrivent de façon aléatoire :

$g^{(2)}(0)=1$

Pas de regroupement particulier.

Source à photon unique

Les photons ne peuvent pas arriver simultanément :

$g^{(2)}(0)=0$

C’est l’antibunching, signature fondamentale d’une véritable source de photons uniques.

Lien avec votre photomultiplicateur H7155

Comme vous m’interrogiez précédemment sur le module PMT H7155, deux H7155 peuvent être utilisés dans un montage HBT :

Source lumineuse
       |
   Séparateur 50/50
      /    \
   PMT1    PMT2
      \    /
   Compteur de coïncidences

Ce montage permet de déterminer si la source émet :

une lumière thermique,
une lumière laser,
ou des photons uniques.

Application historique

L’expérience originale de Hanbury Brown et Twiss a servi à mesurer le diamètre apparent des étoiles grâce à l’« interférométrie d’intensité ». Cette technique a notamment été utilisée à l’Narrabri Stellar Intensity Interferometer.

Pourquoi c’est important aujourd’hui ?

L’effet HBT est devenu un outil fondamental en :

optique quantique,
information quantique,
cryptographie quantique,
caractérisation des sources à photons uniques,
physique des atomes et des ions piégés.
Dans votre contexte de comptage de photons avec le H7155, la mesure de $g^{(2)}(0)$ est précisément la méthode utilisée pour démontrer qu’une source émet réellement des photons un par un et non de faibles impulsions lumineuses contenant plusieurs photons.