Des chercheurs brisent les limites de la vitesse de la lumière dans du plasma

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Manipuler la lumière est une des activités préférées des physiciens. Au cours des dernières années, ceux-ci ont notamment étudié en détail la vitesse de groupe des ondes électromagnétiques, c’est-à-dire la vitesse associée aux paquets d’ondes électromagnétiques (plus précisément la dérivée de la pulsation par rapport au nombre d’onde de cette pulsation). Dans certains matériaux dispersifs, la vitesse de groupe peut être supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide, sans toutefois impliquer de transfert d’information/énergie et donc de violation de la relativité. Récemment, des physiciens sont parvenus à modifier en temps réel la vitesse de groupe d’impulsions laser à travers un plasma. Une prouesse qui devrait ouvrir la voie au développement de lasers plus puissants.

Les physiciens jouent avec la limite de vitesse des impulsions lumineuses depuis de nombreuses années, les accélérant et même les ralentissant jusqu’à virtuellement les immobiliser en utilisant divers matériaux tels que les gaz atomiques froids, les cristaux réfractifs et les fibres optiques.

Cette fois, des chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory et de l’Université de Rochester l’ont manipulé à l’intérieur de groupes de particules chargées, en ajustant la vitesse des ondes lumineuses dans le plasma à environ un dixième de la vitesse habituelle dans le vide et jusqu’à 30% plus rapidement.

Ajuster la vitesse de groupe en temps réel dans le plasma

Toutefois, cela est moins impressionnant qu’il n’y paraît. La vitesse d’un photon est donnée par le tissage des champs électriques et magnétiques (l’électromagnétisme). Il n’y a pas moyen de contourner cela, mais les impulsions photoniques dans des fréquences étroites se bousculent également de manière à créer des ondes régulières.

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La dynamique de groupe d’ondes lumineuses qui se déplacent à travers les milieux est déterminée par une vitesse décrite comme la vitesse de groupe, et c’est cette vague d’ondes qui peut être modifiée pour ralentir ou accélérer, en fonction des conditions électromagnétiques de son environnement. En éliminant les électrons d’un flux d’ions d’hydrogène et d’hélium avec un laser, les chercheurs ont pu modifier la vitesse de groupe des impulsions lumineuses envoyées à travers eux par une deuxième source de lumière, en mettant les freins ou en les accélérant en ajustant le rapport du gaz et forçant les caractéristiques de l’impulsion à changer de forme.

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Graphique montrant la dynamique des vitesses de phase (rouge) et de groupe (bleu) d’une onde pour différents paramètres de vitesse. © ISVR

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L’effet global était dû à la réfraction des champs du plasma et à la lumière polarisée du laser primaire utilisé pour les décaper. Les ondes lumineuses individuelles filaient toujours à leur rythme habituel, alors même que leur danse collective semblait s’accélérer. D’un point de vue théorique, l’expérience permet d’étoffer la physique des plasmas et de mettre de nouvelles contraintes sur la précision des modèles actuels.

Vers des lasers de plus en plus puissants

Pratiquement parlant, c’est une bonne nouvelle pour certaines technologies de pointe qui attendent dans les coulisses. Les anciens lasers reposent sur des matériaux optiques à semi-conducteurs, qui ont tendance à s’endommager à mesure que l’énergie augmente. L’utilisation de flux de plasma pour amplifier ou modifier les caractéristiques de la lumière permettrait de contourner ce problème, mais pour en tirer le meilleur parti, nous devons modéliser leurs caractéristiques électromagnétiques.

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Ce n’est pas un hasard si le Lawrence Livermore National Laboratory tient à comprendre la nature optique des plasmas, abritant certaines des technologies laser les plus impressionnantes au monde. Des lasers toujours plus puissants sont exactement ce dont nous avons besoin pour toute une série d’applications, de la montée en puissance des accélérateurs de particules à l’amélioration de la technologie de fusion propre.

Sources : Physical Review Letters

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