Schéma d'un processus d'absorption de lumière virtuelle :une couche d'un matériau transparent est exposée à des faisceaux lumineux des deux côtés, avec l'intensité lumineuse augmentant dans le temps. Image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs. Crédit :MIPT
Un groupe de physiciens de Russie, La Suède et les États-Unis ont démontré un effet optique très inhabituel. Ils ont réussi à absorber "virtuellement" la lumière en utilisant un matériau qui n'a aucune capacité d'absorption de la lumière. Les résultats de la recherche, Publié dans Optique , innover pour la création d'éléments de mémoire pour la lumière.
L'absorption du rayonnement électromagnétique, y compris la lumière, est l'un des principaux effets de l'électromagnétisme. Ce processus a lieu lorsque l'énergie électromagnétique est convertie en chaleur ou en un autre type d'énergie dans un matériau absorbant (par exemple, pendant l'excitation électronique). Charbon, Les matrices de peinture noire et de nanotubes de carbone, également appelées Vantablack, apparaissent noires car elles absorbent presque complètement l'énergie de la lumière incidente. Autres matériaux, comme le verre ou le quartz, n'ont pas de propriétés absorbantes et ont donc un aspect transparent.
Dans leurs recherches théoriques, dont les résultats ont été publiés dans la revue Optique , les physiciens ont réussi à dissiper cette notion simple et intuitive en faisant apparaître un matériau complètement transparent parfaitement absorbant. Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé des propriétés mathématiques spéciales de la matrice de diffusion, une fonction qui relie un champ électromagnétique incident à celui diffusé par le système. Lorsqu'un faisceau lumineux d'intensité indépendante du temps frappe un objet transparent, la lumière n'est pas absorbée, mais est diffusé par la matière — phénomène causé par la propriété unitaire de la matrice de diffusion. Il s'est avéré, cependant, que si l'intensité du faisceau incident varie dans le temps d'une certaine manière, la propriété unitaire peut être perturbée, au moins temporairement. En particulier, si la croissance de l'intensité est exponentielle, l'énergie lumineuse incidente totale s'accumulera dans le matériau transparent sans en sortir (fig. 1). Cela étant, le système paraîtra parfaitement absorbant de l'extérieur.
Effet d'absorption virtuelle dans une fine couche d'un matériau transparent. La ligne pointillée indique l'amplitude d'une onde incidente dépendante du temps; la ligne continue est l'amplitude d'un signal diffusé qui comprend à la fois des ondes incidentes et transmises. Le signal diffusé est absent jusqu'à t =0, suggérant que l'énergie d'onde incidente est parfaitement "verrouillée" dans la couche. Image reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs. Crédit :MIPT
Pour illustrer l'effet, les chercheurs ont examiné une fine couche d'un diélectrique transparent et calculé le profil d'intensité requis pour l'absorption de la lumière incidente. Les calculs ont confirmé que lorsque l'intensité de l'onde incidente croît de façon exponentielle (ligne pointillée sur la fig. 2), la lumière n'est ni transmise ni réfléchie (courbe continue fig. 2). C'est-à-dire, la couche semble parfaitement absorbante malgré le fait qu'elle n'a pas la capacité d'absorption réelle. Cependant, lorsque la croissance exponentielle de l'amplitude de l'onde incidente s'arrête (à t =0), l'énergie bloquée dans la couche est libérée.
"Nos résultats théoriques semblent plutôt contre-intuitifs. Jusqu'à ce que nous commencions nos recherches, nous ne pouvions même pas imaginer qu'il serait possible de réaliser un tel tour avec une structure transparente, " dit Denis Baranov, doctorant au MIPT et l'un des auteurs de l'étude. "Toutefois, ce sont les mathématiques qui nous ont conduits à cet effet. Qui sait, l'électrodynamique pourrait bien abriter d'autres phénomènes fascinants."
Les résultats de l'étude élargissent non seulement notre compréhension générale du comportement de la lumière lorsqu'elle interagit avec des matériaux transparents courants, mais ont également un large éventail d'applications pratiques. Pour donner un exemple, l'accumulation de lumière dans un matériau transparent peut aider à concevoir des dispositifs de mémoire optique qui stockeraient des informations optiques sans aucune perte et les libéreraient en cas de besoin.
