Depuis des décennies, les scientifiques savent que la lumière tourne autour d’un axe longitudinal parallèle à la direction dans laquelle elle se déplace. Cependant, certains chercheurs spécialisés tentent actuellement d’établir s’il en existe d’autres formes et états, et dans quelle mesure il serait possible de contrôler cela. Récemment, des chercheurs de l’Université de Dayton sont parvenus à créer un nouvel « état de la lumière », en la faisant « tourner » autour d’un axe transversal perpendiculaire au déplacement.

Après deux ans dédiés uniquement à leur étude, Andy Chong et Qiwen Zhan, des chercheurs de l’Université de Dayton aux États-Unis, ont pour la toute première fois réussi à créer un nouvel « état de la lumière ». Dans le cadre de leur expérience, ils montrent qu’un faisceau de lumière peut également tourner autour d’un axe transversal perpendiculaire à la direction dans laquelle il se déplace, à l’image d’un vortex. Les résultats de l’étude ont été publiés le 24 février dans la revue spécialisée Nature Photonics.

« Le congé sabbatique que nous nous sommes offert nous a donné le temps de nous concentrer pleinement sur cette recherche et a été très déterminant pour nous mettre en position de réaliser cette découverte », a déclaré Chong. Les deux physiciens précisent qu’ils ne sont absolument pas partis avec une idée préconçue de ce qu’il fallait rechercher ou obtenir comme résultat.

« C’était plus par curiosité. Pouvons-nous manipuler la lumière, et à quel point ? », a déclaré Zhan, professeur d’électro-optique et de photonique et directeur général du Centre commun de recherche UD-Fraunhofer. « Une fois que nous avons découvert que nous étions capables de le faire, nous nous sommes alors demandés ; ‘quelle est la prochaine étape ? ».

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a) Dispositif expérimental permettant de générer et mesurer des vortex spatiotemporels (ST) de lumière ; BS : séparateur de faisceau. b) Schéma montrant la méthode de mesure de la phase de la lumière. Les chiffres en italique représentent les phases relatives pour les vortex. Les nombres en italique représentent des phases relatives à divers endroits. Notez que la phase augmente dans le sens des aiguilles d’une montre. Crédits : Andy Chong, Chenhao Wan/ University of Dayton

Les chercheurs démontrent notamment qu’un paquet d’ondes tridimensionnel, ici un vortex optique spatiotemporel (ST) avec un moment angulaire orbital (OAM) purement transversal, est contrôlable. Comme le vortex ST porte un OAM contrôlable uniquement dans la dimension transversale, il offre un grand potentiel pour de nouvelles applications optiques qui ne seraient pas réalisables autrement.

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Des applications concrètes

Le schéma de fonctionnement expérimental qu’ils présentent peut être facilement adapté à d’autres régimes spectraux et à différents champs d’ondes, ce qui ouvre des possibilités d’étude et d’applications des vortex ST dans un large éventail de domaines.

L’équipe de recherche suppose que ce nouvel état de la lumière pourrait être utilisé pour améliorer la transmission de grandes quantités de données avec une sécurité accrue, parmi de nombreuses autres applications potentielles.

« Nous ne connaissons pas encore toutes les applications possibles, mais le ciel est la limite (de l’expression anglophone ‘sky is the limit’) », a déclaré Zhan. Pour le moment en tout cas, le duo s’intéresse surtout à la façon dont la lumière interagit avec les matériaux. « Nous voulons mieux comprendre comment cet état de la lumière interagit avec les matériaux dans l’espace et le temps », déclare Chong, professeur agrégé de physique, d’électro-optique et de photonique.

Source : Nature Photonics, arXiv

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