Une coupe transversale d'un motif fractal, créé par un laser dans le laboratoire de lumière structurée de Wits. Crédit :Université Wits
Les motifs fractals sont communs dans la nature, y compris dans les motifs géométriques d'une écaille de tortue, la structure d'une coquille d'escargot, les feuilles d'une plante succulente qui se répètent pour créer un motif complexe, et le motif de givre sur le pare-brise d'une voiture en hiver.
Les fractales ont la particularité d'une géométrie répétitive avec une structure à plusieurs échelles, et se trouvent partout, du brocoli romanesco aux fougères, et même à plus grande échelle comme les marais salants, montagnes, côtes et nuages. Les formes des arbres et des montagnes sont également autosimilaires, telle qu'une branche ressemble à un petit arbre et un éperon rocheux à une petite montagne.
Au cours des deux dernières décennies, les scientifiques ont prédit que la lumière fractale pourrait être créée avec un laser. Avec ses miroirs sphériques hautement polis, un laser est presque l'exact opposé de la nature, et donc ce fut une surprise quand, en 1998, les chercheurs ont prédit des faisceaux lumineux fractals émis par une classe de lasers. Maintenant, une équipe d'Afrique du Sud et d'Écosse a démontré que la lumière fractale peut être créée à partir d'un laser, vérifier la prédiction de deux décennies.
Reportage ce mois-ci dans Examen physique A , l'équipe fournit la première preuve expérimentale de la lumière fractale à partir de lasers simples et ajoute une nouvelle prédiction :que le motif fractal devrait exister en 3-D et pas seulement en 2-D, comme on le pensait auparavant.
Plusieurs modèles de lumière fractale, créé par un laser dans le laboratoire de lumière structurée de Wits. Crédit :Université Wits
La nature crée de tels "modèles dans les modèles" par de nombreuses récursions d'une règle simple, par exemple, pour produire un flocon de neige. Les programmes informatiques créent également des fractales en parcourant la règle à plusieurs reprises, célèbre la production de l'ensemble abstrait de Mandelbrot.
La lumière à l'intérieur des lasers effectue également des allers-retours, rebondir entre les rétroviseurs à chaque passage, qui peut être réglé pour imager la lumière en elle-même à chaque aller-retour. Cela ressemble à une boucle récursive, répéter une règle simple encore et encore. L'imagerie signifie qu'à chaque fois que la lumière revient dans le plan image, c'est une version plus petite (ou plus grande) de ce qu'elle était :un motif dans un motif dans un motif.
Les fractales ont des applications en imagerie, réseaux, des antennes et même des médicaments. L'équipe s'attend à ce que la découverte de formes fractales de lumière pouvant être conçues directement à partir d'un laser ouvre de nouvelles applications et technologies basées sur ces états exotiques de lumière structurée.
"Les fractales sont un phénomène vraiment fascinant lié à ce qu'on appelle le chaos, " dit le professeur Andrew Forbes de l'Université du Witwatersrand, qui a dirigé le projet avec le professeur Johannes Courtial de l'Université de Glasgow. « Dans le monde de la vulgarisation scientifique, le chaos est connu sous le nom d'« effet papillon », ' où un petit changement à un endroit fait un grand changement ailleurs, par exemple, un papillon battant des ailes en Asie provoque un ouragan aux USA. Cela s'est avéré vrai."
La configuration de l'instrument laser utilisé pour créer des motifs fractals de lumière. Crédit :Université Wits
En expliquant la découverte de la lumière fractale, Forbes explique que son équipe a réalisé l'importance de savoir où chercher des fractales dans un laser. "Regardez au mauvais endroit à l'intérieur du laser et vous ne verrez qu'une tache de lumière étalée. Regardez au bon endroit, où l'imagerie se produit, et vous voyez des fractales."
Le projet a combiné l'expertise théorique de l'équipe de Glasgow avec la validation expérimentale en Afrique du Sud par les chercheurs de Wits et du CSIR (Council for Scientific and Insdustrial Research). La version initiale de l'expérience a été construite par le Dr Darryl Naidoo (du CSIR et Wits) et complétée par Hend Sroor (Wits) dans le cadre de son doctorat.
"Ce qui est étonnant, c'est que comme prédit, la seule exigence pour démontrer l'effet est un simple laser avec deux miroirs sphériques polis. C'était là tout le temps, juste difficile à voir si vous ne regardiez pas au bon endroit, " dit Courtial.
