Une décennie après avoir suggéré que la lumière peut être considérablement ralentie - voire arrêtée - par de nouveaux matériaux, Ortwin Hess passe en revue les progrès et les applications.

La vitesse maximale de la lumière est très rapide :299, 792, 458 mètres par seconde. En passant à travers des matériaux transparents, comme l'eau ou le verre, ça ralentit légèrement. Cependant, les scientifiques pensent qu'en ralentissant beaucoup plus la lumière - en la rendant des millions de fois plus lente - ils pourraient l'utiliser de toutes nouvelles manières, comme pour transmettre et stocker des informations ou pour interroger et contrôler des molécules individuelles.

En 2007, Professeur Ortwin Hess, maintenant chaire Leverhulme en métamatériaux au département de physique de l'Impériale, a publié un article théorique avec son élève Kosmas Tsakmakidis et leur collaborateur Allan Boardman.

Ils ont suggéré qu'en utilisant des métamatériaux - ceux conçus pour avoir des propriétés introuvables dans la nature - ils pourraient ralentir la lumière, et même le piéger. Maintenant, 10 ans plus tard, ils ont publié une critique dans Science de la façon dont cette idée a conduit à de nouvelles théories, expériences et applications.

Nous avons parlé au professeur Hess de la façon dont la lumière lente forme un "arc-en-ciel piégé", et comment les applications potentielles s'étendent désormais au stockage magnétique, laser, l'imagerie biologique et même les boucliers antisismiques.

Qu'est-ce que « l'arc-en-ciel piégé » et comment fonctionne-t-il ?

Le processus de création d'un arc-en-ciel piégé repose sur des métamatériaux ou des structures nanoplasmoniques dotés de propriétés négatives particulières, entouré de matériaux "normaux".

Au fur et à mesure que la lumière traverse le matériau spécial, il est poussé vers l'arrière par petits pas là où les deux matériaux se rencontrent. C'est comme monter une pente raide, pente enneigée – à chaque pas que vous faites, tu redescends un peu, ralentir votre progression.

La différence dans le matériau est qu'à chaque fois que la lumière est repoussée, elle ralentit de plus en plus. Finalement, alors que la lumière blanche ralentit, ses différentes composantes – toutes les couleurs du spectre – s'arrêtent à différents points, créant un "arc-en-ciel piégé".

Depuis l'idée originale, de nombreux groupes ont testé différentes manières de faire ce travail. Certains matériaux ont changé, mais l'idée reste la même, et a conduit à des applications potentielles intéressantes.

Dans votre article original, vous suggériez qu'il pourrait être utilisé pour le transfert de données. Comment cela fonctionnerait-il ?

Comme la lumière voyage très vite, et est à large bande - ce qui signifie qu'il couvre une large partie du spectre - il peut être une méthode très efficace de transfert de données. C'est ainsi que fonctionnent les connexions Internet par fibre optique, par exemple.

Cependant, pour accéder aux données d'un flux rapide, nous devons le ralentir. C'est comme une voiture qui sort d'une autoroute - elle doit ralentir à l'approche du carrefour. Ce processus est appelé mise en mémoire tampon.

Actuellement, pour ralentir les signaux lumineux, nous devons les convertir en impulsions électriques, puis les reconvertir en lumière une fois qu'ils y ont été accédés, pour récupérer les données d'origine. En ralentissant la lumière elle-même, plutôt que de le convertir, ce processus serait beaucoup plus efficace. Nous pourrions également utiliser la lumière beaucoup plus largement pour transmettre des données sur un large spectre.

Comment utilisez-vous la lumière lente et arrêtée dans vos recherches ?

L'une des façons dont la lumière lente est utile est d'augmenter les interactions entre la lumière et la matière. Souvent, parce que la lumière voyage si vite, il n'interagit pas beaucoup avec la matière. En le ralentissant, nous pouvons rendre ces interactions plus fortes, manipuler la matière de manières nouvelles.

Par exemple, nous y sommes parvenus récemment en collaboration avec l'Université de Cambridge. Nous tenions une molécule et un photon - une particule de lumière - dans un minuscule piège, de sorte que leurs propriétés se mélangent.

Mon équipe s'intéresse également aux lasers à lumière arrêtée. Les lasers sont des sources de lumière amplifiées à des longueurs d'onde particulières, qui peut être focalisé dans un faisceau et transmis sur de longues distances sans perdre la focalisation, comme le fait une torche traditionnelle.

Les lasers sont créés en pompant de l'énergie dans des états électroniques, par exemple des molécules, les obligeant à émettre des photons lorsqu'ils se détendent à des énergies inférieures. Ces photons sont ensuite rebondis dans un espace confiné, stimuler des molécules plus actives pour libérer des photons de manière synchrone, jusqu'à ce qu'un faisceau à haute énergie soit créé.

L'arrêt de la lumière permettrait des interactions plus confinées entre les molécules actives et les photons, permettant potentiellement de former des lasers plus facilement et plus localement, sans rebondir dans un espace.

Puisque vous avez proposé l'idée, les gens ont suggéré de nombreuses applications innovantes. Pouvez-vous nous en parler ?

Théoriquement, les applications intéressantes pour nous concernent l'étude du comportement quantique de la matière et des paquets de lumière arrêtée ou ultra-lente.

Un exemple pratique intéressant est de guider la lumière vers un petit spot afin de créer un chauffage très local à des échelles microscopiques. Une application majeure de ceci est l'amélioration du stockage magnétique - le type qui fait fonctionner le disque dur de votre ordinateur.

Le stockage magnétique nécessite la formation de minuscules champs magnétiques, mais pour le moment ces champs sont aussi petits qu'ils peuvent l'être, limiter la taille des périphériques de stockage. En ralentissant la lumière dans une zone extrêmement confinée, nous pouvons augmenter son intensité. Cela provoque un échauffement à très petite échelle, créant des champs magnétiques miniatures qui signifient que nous pourrions augmenter la densité de stockage ou réduire la taille des appareils.

Une autre application potentielle est l'imagerie biomédicale. Pour imager certains matériaux biologiques, l'intensité de la lumière laser doit être augmentée, mais cela peut détruire l'échantillon. En ralentissant la lumière, nous pouvons lui permettre d'interagir plus longtemps avec l'échantillon sans l'endommager.

Cependant, le concept « arc-en-ciel piégé » de ralentissement des vagues n'a pas seulement été appliqué à la lumière. Cela fonctionne aussi pour les électrons. Et une idée vraiment innovante, actuellement testé par une équipe comprenant des chercheurs impériaux, ralentit les ondes sismiques. En coupant dans le sol des structures de style métamatériau à grande échelle, ou même dans les arbres, ils ont montré qu'il était possible de rediriger les ondes sismiques dans le sol, protéger les structures contre les tremblements de terre.