Tout étudiant en physique sait que la lumière se déplace en ligne droite. Mais maintenant, des chercheurs ont montré que la lumière peut aussi se déplacer en courbe, sans aucune influence extérieure. L’effet est en fait une illusion d’optique, bien que les chercheurs affirment qu’il pourrait avoir des utilisations pratiques comme le déplacement d’objets avec de la lumière à distance.
Il est bien connu que la lumière se courbe. Lorsque les rayons lumineux passent de l’air à l’eau, par exemple, ils prennent un virage serré ; c’est pourquoi un bâton plongé dans un étang semble s’incliner vers la surface. Dans l’espace, les rayons lumineux passant à proximité d’objets très massifs comme les étoiles sont vus comme des courbes. Dans chaque cas, la courbure de la lumière a une cause externe : Pour l’eau, il s’agit d’un changement dans une propriété optique appelée indice de réfraction, et pour les étoiles, c’est la nature déformante de la gravité.
Comment cette auto-courbure a-t-elle fonctionné ? La lumière est un enchevêtrement d’ondes, et leurs pics et creux peuvent interférer les uns avec les autres. Par exemple, un pic passant par un creux s’annule pour créer l’obscurité ; un pic passant par un autre pic » interfère de manière constructive » pour créer un point lumineux. Maintenant, imaginez la lumière émise par une large bande – peut-être un tube fluorescent ou, mieux, un laser dont la sortie a été étendue. En contrôlant soigneusement la position initiale des pics des ondes – la phase des ondes – à chaque étape de la bande, il est possible de faire en sorte que la lumière qui se propage vers l’extérieur n’interfère de manière constructive qu’en certains points de la courbe et s’annule partout ailleurs. La fonction d’Airy, qui contient des oscillations rapides mais décroissantes, s’est avérée un moyen facile de définir ces phases initiales – sauf que la lumière résultante ne se courberait que jusqu’à environ 8°.
Maintenant, les physiciens Mordechai Segev et ses collègues du Technion, l’Institut israélien de technologie, à Haïfa, affirment qu’ils ont une recette pour faire en sorte que la lumière se courbe d’elle-même selon n’importe quel angle, même selon un cercle complet. Selon Mordechai Segev, le problème de la fonction d’Airy est que la forme de ses oscillations ne spécifie les bonnes phases qu’à de petits angles ; à des angles bien supérieurs à 8°, la forme devient une approximation grossière. Son groupe s’est donc tourné vers les équations de Maxwell, le quatuor de formules mathématiques vieux de 150 ans qui décrit la propagation des ondes électromagnétiques telles que la lumière. Après des mathématiques laborieuses et des conjectures, les chercheurs ont trouvé des solutions aux équations de Maxwell qui décrivent précisément les phases initiales requises pour une lumière véritablement auto-fléchissante, comme ils le rapportent cette semaine dans Physical Review Letters.
« La fonction d’Airy est une solution pour un cas approximatif », explique Segev. « Si vous voulez aller à de grands angles, doit avoir la forme appropriée. Les gens pensaient qu’il n’y avait pas de forme appropriée, que la solution s’effondrerait toujours – mais nous avons montré que c’est faux. »
Les travaux du groupe de Segev auraient pu rester théoriques, mais par coïncidence, un groupe dirigé par John Dudley à l’Université de Franche-Comté à Besançon, en France, a réalisé ses propres expériences sur la lumière auto-fléchissante. En modifiant la fonction d’Airy existante, le groupe de Dudley a réussi à trouver des valeurs de phase initiale qui correspondent à la solution du groupe israélien, même s’il n’en avait pas connaissance. En utilisant un dispositif appelé modulateur spatial de lumière pour préajuster la phase d’un faisceau élargi de lumière laser, le groupe français a constaté que la lumière résultante s’auto-pliait jusqu’à 60°, comme il le rapportera plus tard ce mois-ci dans Optics Letters.
La lumière auto-fléchissante pourrait donner une tournure originale aux pinces optiques. Ces dispositifs, qui ont été mis au point dans les années 1980, utilisent la force créée par une lumière laser intense pour maintenir des objets microscopiques en l’air. M. Segev pense qu’en remplaçant les faisceaux laser par une lumière auto-fléchissante, les chercheurs pourraient forcer les objets piégés à suivre des trajectoires complexes sans les toucher. Ce faisant, la lumière courbée pourrait éloigner sélectivement les cellules d’un échantillon biologique – une aubaine pour les bio-ingénieurs.
Le physicien Pavel Polynkin, de l’université d’Arizona à Tucson, suggère une autre application : – brûler un trou incurvé à travers un matériau, ce qui serait impossible avec un laser ordinaire. Cependant, malgré ces applications, il souligne que la lumière elle-même ne se courbe pas réellement, elle semble seulement le faire, en raison de la façon dont les points lumineux d’interférence s’alignent. En fait, dit-il, la majeure partie de la puissance de la lumière ne va pas vers la courbe brillante, mais vers les zones sombres qui ont été annulées. « Je ne conteste pas l’importance scientifique de cet article », ajoute-t-il. « Il fait état d’une contribution importante. (…) aucune loi fondamentale de la physique n’a été violée jusqu’à présent – et c’est une bonne chose, à mon avis. »