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Visualisez-vous l’aspect du delta d’un fleuve ? La façon dont il se divise en plusieurs bras, comme les branches d’un arbre ? Ce phénomène a déjà été observé dans le cas des ondes sonores, des flux d’électrons, ou encore des vagues océaniques, et jusqu’ici jamais avec la lumière. Mais des chercheurs viennent de découvrir qu’un flux lumineux peut agir de même lorsqu’il se propage dans un certain type de milieu.

Le phénomène, appelé flux (ou écoulement) ramifié, a été découvert en 2001, avec un flux d’électrons comme source d’onde. Mais c’est la première fois qu’il est observé dans le cas d’une onde lumineuse. Pour ce faire, des physiciens du Technion (L’Institut de technologie d’Israël) et de l’Université de Floride centrale ont simplement utilisé un laser et une bulle de savon. Le résultat donne des images magnifiques…

Un arbre de lumière dans une bulle de savon

Le comportement d’une onde dépend de la structure du milieu dans lequel elle se propage. Elle peut s’atténuer, se disperser dans toutes les directions, se courber, etc. Pour obtenir un flux ramifié, il faut réunir certaines conditions : la structure du milieu doit être aléatoire et les variations spatiales au sein de cette structure doivent être d’une longueur supérieure à la longueur d’onde du flux. En outre, ces variations ne doivent pas être trop brutales. Si le milieu en question possède toutes ces propriétés, alors les légères perturbations qui s’y trouvent peuvent disperser le flux, formant des canaux qui continuent à se diviser au fur et à mesure que l’onde se propage.

Jusqu’à présent, il était difficile d’observer ce comportement dans le cas d’une onde lumineuse. Mais une équipe de physiciens a eu l’idée d’utiliser une bulle de savon comme milieu de propagation.

Une bulle de savon est en effet une structure tout à fait remarquable en physique : il s’agit d’un fin film d’eau pris en sandwich entre deux couches de molécules de surfactant (qui abaisse la tension de surface de l’eau). L’épaisseur de ce film varie entre cinq nanomètres et quelques micromètres sur une même bulle : ce sont ces variations d’épaisseur qui produisent les reflets colorés observés habituellement en surface des bulles. Mais ces variations peuvent également constituer les agents perturbateurs qui vont permettre de dévier le flux de lumière ! C’est grâce à cela que les physiciens ont pu observer cette ramification.

variations épaisseur bulles savon couleurs

Variations d’épaisseur dans une membrane de bulle de savon, qui lui confèrent de multiples reflets colorés. Crédits : Patsyk et al.

Cela n’a pas été simple à réaliser. En effet, il fallait faire en sorte que la lumière (un laser) pénètre entre les deux couches de molécules savonneuses. Pour cela, les chercheurs ont inséré une fibre optique directement dans la membrane. Ceci fait, ils ont pu observer la façon dont le faisceau laser se divisait sur la surface de la membrane ; en éclairant celle-ci avec une faible lumière blanche, ils ont pu distinguer les variations d’épaisseur – qui se traduisaient par des variations de couleur – à l’origine des ramifications.

expérience écoulement ramifié onde lumineuse

Pour observer un écoulement ramifié de lumière, les chercheurs ont inséré une fibre optique directement entre les deux couches de molécules de surfactant. Crédits : Patsyk et al.

Pour une explication en vidéo du procédé :

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Malgré les variations aléatoires du milieu et la nature linéaire de l’effet, les chercheurs ont constaté que les filaments restaient collimatés tout au long de leurs trajectoires ; autrement dit, les différentes ramifications de lumière restaient quasiment parallèles, ce qui a beaucoup surpris l’équipe. « En optique, nous travaillons généralement dur pour que la lumière reste focalisée et se propage comme un faisceau collimaté, mais ici, la structure aléatoire du film de savon a naturellement fait que la lumière restait focalisée. C’est une autre des surprises de la nature ! », s’est enthousiasmé Anatoly Patsyk, co-auteur de l’étude.

Une découverte qui ouvre de nouvelles possibilités de recherche

De belles images, certes, mais à quoi peut bien servir une telle découverte ? Pour commencer, il est désormais possible de caractériser le milieu dans lequel la lumière se propage avec une très grande précision. Mordechai Segev, professeur de physique et de génie électrique au Technion et co-auteur de l’article, a estimé que cette découverte pourrait notamment être utile dans le domaine médical, en permettant un examen plus précis des vaisseaux sanguins, et ainsi remédier à certains problèmes de santé.

De plus, les physiciens expliquent dans leur article qu’un écoulement ramifié peut agir comme un déclencheur pour la formation d’événements non linéaires extrêmes (tels que les énormes vagues solitaires de l’océan) et qu’il est possible de le contrôler pour faire en sorte qu’il se propage le long d’une seule « branche » plutôt que le long de plusieurs d’entre elles en parallèle (il agirait alors comme un canal d’énergie en somme).

L’utilisation de la bulle comme milieu de propagation est intéressante pour l’optofluidique, la science de la lumière interagissant avec les liquides (ce domaine de recherche combine les propriétés de l’optique et des microsystèmes manipulant des fluides). Cette configuration expérimentale pourrait être utilisée, par exemple, pour étudier comment les forces optiques affectent le flux ramifié. Les chercheurs évoquent aussi la possibilité de combiner le savon avec un matériau fluorescent pour que les ramifications deviennent de petits lasers. Par ailleurs, ils soulignent qu’en épaississant le film, un écoulement ramifié en trois dimensions pourrait être créé ! Une théorie qui n’a jusqu’à présent jamais été observée dans la pratique.

Sur le même sujet : Un nouveau microscope quantique permet de piéger et observer directement la lumière en train d’évoluer

Enfin, cette découverte pourrait être exploitée pour explorer d’autres phénomènes physiques, notamment certains aspects de la relativité générale. Dans quelles mesures ? « Les films minces de savon pourraient être façonnés en une variété de surfaces pour étudier le flux ramifié dans l’espace incurvé. De telles expériences dans l’espace courbe sont intimement liées à la relativité générale », expliquent les chercheurs dans leur article.

Source : Nature, M. Bandres et al.

écoulement ramifié onde lumière

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