La géométrie interne de la lumière peut naturellement produire des motifs rotatifs, remettant en question des hypothèses de longue date sur son comportement.© Pexels – ClickerHappy
Une étude récente révèle que la lumière possède une structure géométrique cachée, capable d’influencer son comportement d’une manière que les scientifiques pensaient jusqu’ici difficile à obtenir.
La lumière n’a pas fini de nous surprendre ! Dans une récente étude publiée dans la revue Light: Science & Applications, des chercheurs de l’Université d’East Anglia, au Royaume-Uni, qui ont travaillé en collaboration avec des scientifiques sud-africains, ont mis en évidence sa capacité à former des motifs rotatifs en se propageant dans le vide, sans avoir besoin de lentilles, de miroirs ou de matériaux spéciaux.
Une découverte qui ouvre de nouvelles perspectives pour contrôler la rotation et la torsion de la lumière à partir de sa géométrie interne et ainsi manipuler sa trajectoire. Elle remet également en question certaines hypothèses de longue date sur la façon dont les différentes propriétés de la lumière interagissent.
Un comportement étonnant de la lumière qui repose sur une configuration particulière
« La plupart des gens imaginent que la lumière se propage en ligne droite. Mais les scientifiques peuvent aussi créer de la lumière structurée, c’est-à-dire une lumière dont la luminosité, la forme et la direction sont soigneusement agencées », a rappelé le Dr Kayn Forbes, de l’École de chimie et de pharmacie de l’UEA. Il a ensuite précisé : « L’exemple extrême est celui de la lumière qui se tord en se propageant, formant une spirale appelée vortex optique. »
Si les experts savaient déjà que la lumière pouvait présenter différents comportements rotationnels, les interactions à l’origine de cette nouvelle propriété étaient, quant à elles, considérées comme extrêmement faibles et difficiles à détecter sans conditions expérimentales spécifiques. Au cours de l’étude, ils ont toutefois constaté que la situation changeait lorsque le faisceau lumineux était préparé selon une configuration équilibrée bien particulière.
Dans ces conditions, le faisceau peut être initialement immobile, puis laisser apparaître des zones distinctes de rotation à mesure qu’il se propage dans l’espace libre. Un effet qui ne nécessite ni le passage de la lumière à travers des matériaux artificiels ni l’utilisation de dispositifs optiques supplémentaires.
« Au départ, il n’y a aucune rotation », a expliqué Light Mkhumbuza, qui a participé à l’étude, avant de poursuivre : « Mais à mesure que le faisceau avance, des zones de rotation apparaissent et se séparent, comme si la rotation se cachait puis se révélait. » Les chercheurs ont ainsi montré que cette rotation ne dépend pas d’un composant optique externe, mais de la structure interne du faisceau lumineux, qui détermine où ces zones apparaissent au cours de sa propagation.
Une découverte qui pourrait ouvrir la voie à de grandes avancées
Dans la suite de leurs travaux, les physiciens ont découvert que la lumière structurée possède ses propres caractéristiques topologiques. Pour rappel, la topologie est une branche des mathématiques qui étudie les propriétés d’une forme qui restent inchangées lorsqu’on la déforme progressivement, sans la déchirer ni la recoller. Concrètement, même si le faisceau lumineux change de forme au cours de sa propagation, sa structure topologique demeure et influence l’évolution de ses différentes régions. Ainsi, la disposition même de la lumière peut déterminer où ses motifs de rotation dextrogyres et lévogyres deviennent visibles.
Cette découverte offre aux scientifiques un nouveau moyen de contrôler ce comportement en concevant la structure initiale du faisceau, plutôt qu’en recourant à des matériaux spécialisés pour produire l’effet souhaité. « Cela nous offre un tout nouveau moyen de réglage de la lumière. En ajustant sa topologie, nous pouvons décider comment et où la chiralité apparaît », a expliqué Isaac Nape, de l’Université du Witwatersrand, à Johannesburg. Cette possibilité de contrôler la lumière grâce à sa géométrie pourrait, à terme, ouvrir la voie à des avancées dans plusieurs technologies optiques, qui deviendraient ainsi plus simples, plus abordables et plus polyvalentes.
Cette nouvelle propriété pourrait également trouver des applications dans le diagnostic médical et la recherche pharmaceutique. Les mêmes principes pourraient aussi servir à concevoir des capteurs optiques plus petits, capables de détecter des substances chimiques ou biologiques sans recourir à des instruments de laboratoire volumineux et sophistiqués. Les technologies de communication pourraient, elles aussi, bénéficier de ces avancées.
Article de Océane Letouzé (MSN)
Lu pour vous, la rédaction