Bien que dénués de masse, les photons exercent une pression sur la matière lorsqu’ils interagissent avec celle-ci. Ce phénomène, connu sous le terme de pression de rayonnement, est lié au transfert de la quantité de mouvement (impulsion) des photons à la matière. Bien que connue des scientifiques depuis plus d’une centaine d’années, cette force n’a jamais été mesurée. Toutefois, une équipe internationale de physiciens a récemment réussi la prouesse d’effectuer cette mesure tant attendue. 

La pression exercée par la lumière est théorisée dès 1619 par l’astronome allemand Johannes Keppler dans son traité d’astronomie De Cometi, par l’intermédiaire duquel il explique que l’orientation des queues cométaires (de comètes) est due au flux de rayonnement solaire. La force engendrée par une onde électromagnétique sur une paroi est étudiée en 1873 par le physicien écossais James Clerk Maxwell dans son Traité sur l’électricité et l’électromagnétisme.

Maxwell décrit alors la lumière comme un rayonnement électromagnétique possédant une quantité de mouvement et exerçant donc une pression. Toutefois, l’impulsion et la pression exercées par un photon sont si faibles qu’il s’avère extrêmement difficile de les mesurer directement.

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Les photons possèdent une quantité de mouvement « p », aussi appelée « impulsion », engendrant une pression de rayonnement lors de l’interaction avec la matière. Crédits : Stéphanie Gaugiran

« Jusqu’à maintenant, nous n’avions pas déterminé la manière dont cette impulsion est convertie en force ou en mouvement » explique Kenneth Chau, physicien et ingénieur à l’université de Colombie-Britannique d’Okanagan (Canada). « À cause de la très faible quantité de mouvement transportée par la lumière, nous n’avions pas d’équipement suffisamment sensible pour le mesurer ».

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Bien que les instruments actuels ne soient toujours pas suffisamment précis pour mesurer directement la quantité de mouvement d’un photon, Chau et ses collègues ont élaboré un autre moyen pour mesurer celle-ci. Les détails de l’expérience et des résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.

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Schéma du dispositif utilisé par les chercheurs pour mesurer la quantité de mouvement des photons. Le faisceau laser (indigo) entre en contact avec le miroir (vert) à travers un tube (noir) afin d’éviter à la lumière diffusée d’atteindre le capteur (jaune). Crédits : Tomaž Požar & al.

Pour ce faire, les physiciens ont construit un appareil particulier autour d’un miroir, protégé par un bouclier thermique afin d’éviter toute interférence extérieure. Puis, ils ont équipé le dispositif de capteurs acoustiques ultra-précis. Lorsqu’ils ont bombardé le miroir d’impulsions laser, des ondes élastiques se sont propagées sur sa surface et ont été détectées par les capteurs acoustiques, permettant ainsi aux chercheurs de calculer la pression de rayonnement exercée par les photons.

« Nous ne pouvons pas mesurer directement la quantité de mouvement d’un photon, alors nous avons décidé de détecter l’effet de cette dernière sur le miroir en « écoutant » les ondes élastiques qui se sont propagées dessus » explique Chau. « Nous avons été en mesure, à partir des propriétés des ondes élastiques, de remonter jusqu’à l’impulsion des faisceaux lumineux, ce qui nous permet maintenant d’enfin définir et modéliser la dynamique de l’impulsion lumineuse dans la matière ».

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Graphiques montrant la force et la dynamique de propagation des ondes élastiques à la surface du miroir après bombardement par le laser. Crédits : Tomaž Požar & al.

De tels résultats devraient ouvrir la voie à d’importantes applications pratiques. Par exemple, la possibilité de calculer précisément la pression de rayonnement solaire pourrait permettre d’améliorer considérablement les technologies à voile solaire — un moyen de propulsion sans carburant utilisant la pression de la lumière solaire sur une grande voile. Cela pourrait également permettre de développer des pinces optiques — méthode permettant de piéger et manipuler des particules de taille atomique — plus efficaces.

Sources : Nature Communications

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