Découverte de faisceaux lumineux en forme de croissants

D'après vous, que donne la somme de plusieurs donuts ? Vous ne savez pas ? Eh bien, selon les physiciens optique, le résultat serait… un croissant.

C'est le résultat avancé par une étude récente qui met le doigt sur une toute nouvelle propriété de la lumière baptisée « self-torque » (en français, moment propre, ndlr). Cette caractéristique des photons consiste en un faisceau laser hélicoïdal dont la vitesse de rotation augmente, un peu comme une traînée de poussière qui tournoie dans un tuyau. Ce comportement étrange décrit aujourd'hui dans la revue Science pourrait un jour mener à une amélioration des technologies de communication et des méthodes de manipulation des objets microscopiques.

« En sciences, nous découvrons toujours de nouvelles choses, mais ce n'est pas souvent que nous découvrons de nouvelles propriétés fondamentales, » souligne Kevin Dorney, coauteur de l'étude et physico-chimiste au laboratoire JILA géré par l'université du Colorado à Boulder et le National Institute of Standards and Technology.

RECETTE OPTIQUE

Pour obtenir des faisceaux laser en forme de viennoiserie, il faut tout d'abord se procurer un type spécial de lumière qui possède ce que les scientifiques appellent un moment cinétique orbital, également connu sous le nom de moment angulaire orbital. Découverte en 1992, cette propriété peut être transmise à un faisceau laser lorsque celui-ci traverse une lentille en forme de coquillage. La lumière qui en émerge prend alors une forme hélicoïdale autour d'un axe central. Si vous projetez cette lumière sur une surface plane, vous obtiendrez un disque épais troué en son centre ou, pour simplifier, un donut.

Une particule nanoscopique placée sur son chemin se mettra à tournoyer comme une planète orbite une étoile, d'où la présence du terme astronomique orbital dans le nom de cette propriété.

Dorney et ses collègues travaillaient à la création d'une lumière possédant un moment angulaire orbital dans une zone du spectre électromagnétique connue sous le nom de rayonnement ultraviolet extrême, située entre les ultraviolets produits par les lampes à lumière noire et les rayons X dits "durs" utilisés dans les dispositifs médicaux.

Le rayonnement ultraviolet extrême devait être produit à l'aide de deux impulsions laser optique rouges dirigées sur un ensemble d'atomes d'argon gazeux. Dans ce processus, la lumière laser rouge libère les électrons de l'argon qui à leur tour doivent « surfer les ondes laser et se charger en énergie, » illustre Dorney. Lorsque les électrons chargés en énergie percutent à nouveau les atomes d'argon, ils relâchent leur excédent d'énergie sous la forme de photons de l'ultraviolet extrême dotés d'un moment angulaire orbital.

Par la suite, l'équipe a voulu savoir ce qu'il adviendrait si les vitesses des moments angulaires orbitaux des impulsions laser rouges étaient différentes et décalées l'une par rapport à l'autre de quelques quadrillionnièmes de seconde. Leurs simulations ont montré que les impulsions optiques en forme de donuts se superposeraient de façon étrange et provoqueraient une intensification rapide de la torsion des faisceaux produits dans l'ultraviolet extrême. Dans ces modèles, la coupe transversale du rayonnement laser ultraviolet avait l'allure d'un croissant de lune.

« On n'imaginerait pas que la somme de donuts puisse former un croissant, » commente Dorney. Et pourtant, lorsque les chercheurs sont passés des simulation aux expériences réelles avec lumière : « nous n'avions qu'à appuyer sur le bon bouton, et la projection passait du donut au croissant et vice-versa. »

UN AVENIR PROMETTEUR

L'équipe a baptisé cette nouvelle propriété « self-torque » (moment propre) car elle s'apparente au mouvement d'une clé qui s'accélère lorsqu'elle serre un écrou sauf que dans cet exemple, la torsion (le moment) est appliqué par une force extérieure (la main qui accélère le serrage). Les vrais cas de « self-torque » sont très rares dans la nature et ne surviennent que dans des situations extrêmes. Par exemple, lorsque deux trous noirs orbitent l'un autour de l'autre, leurs interactions gravitationnelles peuvent les amener à s'entraîner mutuellement et à accélérer grandement leur vitesse de rotation.

Mais alors, comment pourra-t-on utiliser ce type de lumière dotée d'un « moment propre » ?

« La réponse la plus courte serait : on y réfléchit, » indique Dorney. « Cette propriété est si récente que ses applications immédiates ne sont pas évidentes. »

Rappelons que la situation était sensiblement la même lorsqu'on a découvert le moment cinétique orbital il y a plus d'un quart de siècle. Aujourd'hui, cette propriété est utilisée pour la production de microscopes ultra-puissants, le déplacement de pièces minuscules dans les machines industrielles et la transmission de signaux à débit élevé à travers des réseaux optiques de communication. C'est peut-être pour cette raison que la découverte d'une nouvelle propriété de la lumière a fait tourner la tête des chercheurs du domaine.

« C'est tellement captivant et stimulant, » commente Alan Willner, ingénieur électricien rattaché à l'université de Californie du Sud à Los Angeles, non impliqué dans cette étude. « C'est comme un cadeau perpétuel. »

Cet article a initialement paru sur le site nationalgeographic.com en langue anglaise.