Quand tu tapes sur une simple peau de tambour, ça fera très certainement du bruit, mais vous n'appelleriez probablement pas ce bruit une note de musique.

"Tu l'as frappé, et il génère toutes ces vibrations dans des relations aléatoires les unes avec les autres. Par conséquent, vous obtenez un bruit sourd, " a déclaré Frank Wise, le professeur Samuel B. Eckert d'ingénierie au Département de physique appliquée et d'ingénierie.

Pourquoi un tambour fait un bruit sourd, quand les clarinettes et les guitares peuvent produire des notes et des accords ? La différence est la dimensionnalité :dans un tube étroit ou une ficelle tendue, les oscillations de l'air à l'intérieur du tube ou de la corde sont unidimensionnelles. En revanche, une peau de tambour est bidimensionnelle, et ses vibrations sont généralement plus compliquées.

"Mais imaginez si toutes les vibrations de la peau de tambour étaient verrouillées ensemble, " a-t-il dit. "Alors vous obtiendriez quelque chose de différent - une note."

C'est essentiellement ce que Wise et le doctorant Logan Wright ont fait avec leur instrument de prédilection :le laser. C'est le sujet de leur article, "Verrouillage de mode spatio-temporel dans les lasers à fibre multimode, " publié le 6 octobre dans Science .

Demetrios Christodoulides a également contribué, professeur d'optique et de photonique à l'Université de Floride centrale. Wise et Wright ont déposé une demande de brevet pour cette méthode laser potentiellement révolutionnaire.

Les lasers que la plupart des gens connaissent sont le résultat de photons (particules de lumière) fonctionnant en cohérence - en d'autres termes, les crêtes et les creux des ondes lumineuses sont synchronisés. Lumière ordinaire, comme celle d'une ampoule, comprend plusieurs, longueurs d'onde non cohérentes en trois dimensions, et se disperse ainsi.

Les modes d'un résonateur laser sont tridimensionnels, également, avec des variations le long de l'axe du résonateur ainsi que deux dimensions transversales - haut et bas, et côte à côte.

Mais le laser commun - comme celui que l'on trouve dans un pointeur laser - limite le fonctionnement à un seul mode transversal. "Rien ne change dans les dimensions transversales, " Sage a dit, "C'est donc essentiellement un appareil unidimensionnel."

Cela ne veut pas dire que les autres modèles de lumière ne sont pas là, et le groupe de Wise a prouvé sa capacité à verrouiller ces autres "couleurs, " ou des longueurs d'onde, ensemble. Et non seulement toutes les longueurs d'onde sont verrouillées, mais il en va de même pour les différents modèles spatiaux tridimensionnels de la lumière laser. "C'est le verrouillage du temps et de l'espace, " dit Sage.

"La lumière à haute intensité se comporte différemment de ce à quoi nous sommes habitués, " a déclaré Wright. "Nous avons pu concevoir le laser de manière à ce que ce verrouillage de mode se produise tout seul - les interactions entre ces modes provoquent en fait l'auto-organisation de la lumière dans le laser."

Wright appelle cela "le premier laser tridimensionnel à verrouillage de mode au monde, " mais à quoi cela peut-il servir ? Quelques choses, ont déclaré Wise et Wright - qui ont tous deux rapidement souligné que ce qu'ils avaient fait était de démontrer un concept, pas inventer un nouvel outil utile. "Ça va demander beaucoup plus de travail pour ça, " dit Sage.

Les applications potentielles incluent :

• Lasers à très haute puissance, puisque la lumière dans le laser peut être plus étalée et donc l'intensité maximale (concentration d'énergie) peut être beaucoup plus faible.
• Contrôler l'émittance du faisceau de manière à créer un motif spécifique dans l'espace-temps. En théorie, cela pourrait être utilisé pour catalyser d'abord une réaction dans une molécule compliquée avec une impulsion de lumière (pour exciter des vibrations ou des niveaux d'énergie spécifiques), puis enregistrez les détails de cette réaction avec une autre impulsion quelques femtosecondes (quadrillionièmes de seconde) plus tard. "Cela pourrait être utile pour étudier les réactions de molécules très complexes, tels qu'on les trouve dans les systèmes biologiques, " dit Sage.

Wise et Wright pensent que leur idée pourrait faire avancer une technologie qui est à peu près bloquée dans un seul mode depuis plus de 50 ans, depuis l'invention du laser.

"De même que vous seriez surpris d'entendre une note sortir d'un tambour, " Sage a dit, "Les gens seront surpris d'entendre une impulsion spatio-temporelle sortir d'un laser. Nous utilisons des degrés de liberté qui n'avaient jamais été utilisés auparavant."