Des chercheurs ont pour la première fois démontré expérimentalement que des points de vide se déplacent plus rapidement que la lumière sans enfreindre les principes de la relativité — une hypothèse avancée depuis les années 1970. Grâce à une technique de microscopie électronique ultrarapide, ils ont observé des points d’annulation se propageant dans un matériau à une vitesse supérieure à celle de la propagation de la lumière dans ce système. Cette approche pourrait ouvrir l’accès à des domaines jusqu’ici inexplorés de la physique.
D’après la relativité restreinte d’Einstein, la vitesse de la lumière dans le vide constitue la limite maximale à laquelle l’information, la matière et l’énergie peuvent se déplacer dans l’espace. Toutefois, il a été avancé dès les années 1970 que des singularités, c’est-à-dire des points où le champ s’annule, peuvent dépasser cette limite dans certaines conditions.
Malgré leur appellation, ces singularités sont des phénomènes relativement courants dans la nature. Ils se manifestent sous la forme de vortex, par exemple dans les lacs, les cyclones et même dans l’eau remuée dans un bol ou s’écoulant dans un évier. Les vortex apparaissent dans certaines configurations d’interférences d’ondes. Ils peuvent se déplacer plus rapidement que l’onde ou le courant au sein desquels ils se forment, y compris dans des systèmes impliquant des ondes lumineuses.
Ils peuvent présenter des vitesses supérieures à celle de la lumière dans un milieu donné car ils correspondent à des structures d’annulation du champ et ne transportent ni matière, ni information, ni énergie. Ils ne violent pas la relativité, car ils ne transportent aucune information ni énergie. Les singularités pourraient même accélérer extrêmement rapidement lorsqu’elles interagissent.
Cependant, ces phénomènes demeurent extrêmement difficiles à observer à mesure que leur vitesse augmente. Les processus physiques qui sous-tendent leur déplacement reposaient jusqu’ici principalement sur des modèles théoriques. Des chercheurs du Technion (l’Institut de technologie d’Israël) affirment avoir pour la première fois observé expérimentalement des points d’annulation dépassant la vitesse de propagation de la lumière dans ce système. Leurs résultats sont publiés dans la revue Nature.
Des « points zéro » au sein des ondes lumineuses
Pour observer l’accélération de ces points d’annulation, les chercheurs ont eu recours à une technique de microscopie électronique ultrarapide appliquée à une fine lamelle de nitrure de bore. Au sein de ce matériau, les ondes lumineuses peuvent être converties en ondes phonons-polaritons, des quasi-particules résultant du couplage entre photons et phonons. Leur propagation a été contrôlée de sorte que les phonons-polaritons se propagent très lentement, soit environ 100 fois plus lentement que la lumière dans le vide.
Le système d’imagerie a été couplé à un dispositif opto-mécanique de pointe, permettant d’atteindre une résolution temporelle et spatiale particulièrement élevée. En analysant ces ondes ralenties, les chercheurs ont pu observer la formation de vortex lumineux et leur accélération jusqu’à dépasser la vitesse de propagation de la lumière dans ce système.
Selon les chercheurs, cette accélération s’explique par la nature même de ces structures : elles constituent des « points zéro » ou des zones d’annulation au sein des ondes lumineuses, c’est-à-dire des régions où l’amplitude du champ s’annule. Autrement dit, il s’agit de zones de vide total inscrites dans le champ lumineux.
Selon Ido Kaminer, professeur de génie électrique et informatique au Technion et coauteur de l’étude : « notre découverte révèle des lois universelles de la nature partagées par tous les types d’ondes, des ondes sonores et des écoulements de fluides aux systèmes complexes tels que les supraconducteurs. »
La technologie développée par l’équipe ouvre ainsi des perspectives dans les domaines de la microscopie, de l’optique des nanostructures, de la recherche sur la supraconductivité et des techniques d’encodage de l’information quantique dans les matériaux.
« Cette avancée majeure nous offre un outil technologique puissant : la capacité de cartographier le mouvement de phénomènes nanométriques subtils au sein des matériaux, grâce à une nouvelle méthode (l’interférométrie électronique) qui améliore la netteté des images », explique Kaminer.
« Nous sommes convaincus que ces techniques de microscopie innovantes permettront d’étudier des processus cachés en physique, en chimie et en biologie, révélant pour la première fois le comportement de la nature dans ses manifestations les plus rapides et les plus insaisissables », conclut-il.
