Une équipe de chercheurs du Technion – Israel Institute of Technology a observé pour la toute première fois un flux de lumière ramifié. Les résultats sont publiés dans La nature et figurent sur la couverture du 2 juillet, numéro 2020.

L'étude a été menée par Ph.D. étudiant Anatoly (Tolik) Patsyk, en collaboration avec Miguel A. Bandres, qui était post-doctorant au Technion au démarrage du projet et est aujourd'hui Maître de Conférences au CREOL, Collège d'optique et de photonique, Université de Floride centrale. La recherche a été dirigée par le président du Technion, le professeur Uri Sivan et le professeur distingué Mordechai (Moti) Segev des facultés de physique et de génie électrique du Technion, l'Institut du Solide, et l'Institut de nanotechnologie Russell Berrie.

Lorsque les vagues traversent des paysages qui contiennent des perturbations, ils se dispersent naturellement, souvent dans tous les sens. La diffusion de la lumière est un phénomène naturel, trouve dans de nombreux endroits dans la nature. Par exemple, la diffusion de la lumière est la raison de la couleur bleue du ciel. Comme il s'avère, lorsque la longueur sur laquelle varient les perturbations est beaucoup plus grande que la longueur d'onde, l'onde se diffuse de façon inhabituelle :elle forme des canaux (branches) d'intensité accrue qui continuent à se diviser, ou se diversifier, au fur et à mesure que l'onde se propage. Ce phénomène est connu sous le nom d'écoulement ramifié. Il a été observé pour la première fois en 2001 avec des électrons, et avait été suggéré d'être omniprésent et se produire également pour toutes les vagues dans la nature, par exemple les ondes sonores et même les vagues de l'océan. Maintenant, Les chercheurs du Technion amènent le flux ramifié dans le domaine de la lumière :ils ont fait une observation expérimentale du flux de lumière ramifié.

"Nous avons toujours eu l'intention de trouver quelque chose de nouveau, et nous étions impatients de le trouver. Ce n'était pas ce que nous avons commencé à chercher, mais nous avons continué à chercher et nous avons trouvé quelque chose de bien mieux, " a déclaré le professeur adjoint Miguel Bandres. " Nous savons que les ondes se propagent lorsqu'elles se propagent dans un milieu homogène. Mais pour d'autres types de médiums, les ondes peuvent se comporter de manières très différentes. Quand on a un milieu désordonné où les variations sont douces, comme un paysage de montagnes et de vallées, les ondes se propageront d'une manière particulière. Ils formeront des canaux qui continueront à se diviser au fur et à mesure que l'onde se propage, formant un beau motif ressemblant aux branches d'un arbre."

Dans leurs recherches, l'équipe a couplé un faisceau laser à une membrane de savon, qui contient des variations aléatoires de l'épaisseur de la membrane. Ils ont découvert que lorsque la lumière se propage dans le film de savon, plutôt que d'être dispersé, la lumière forme des branches allongées, créant le phénomène d'écoulement ramifié pour la lumière.

"En optique, nous travaillons généralement dur pour que la lumière reste focalisée et se propage sous forme de faisceau collimaté, mais ici, la surprise est que la structure aléatoire du film de savon a naturellement fait que la lumière reste focalisée. C'est une autre des surprises de la nature, ", a déclaré Tolik Patsyk.

La capacité de créer un écoulement ramifié dans le domaine de l'optique offre de nouvelles opportunités passionnantes pour étudier et comprendre ce phénomène d'onde universel.

"Il n'y a rien de plus excitant que de découvrir quelque chose de nouveau et c'est la première démonstration de ce phénomène avec des ondes lumineuses, " a déclaré le président du Technion, le professeur Uri Sivan, titulaire de la chaire académique Bertoldo Badler à la Faculté de physique. "Cela montre que des phénomènes intrigants peuvent également être observés dans des systèmes simples et qu'il suffit d'être suffisamment perspicace pour les découvrir. En tant que tel, rassembler et combiner les points de vue de chercheurs de différents horizons et disciplines a conduit à des idées vraiment intéressantes. »

Il ajouta, "Le fait que nous l'observions avec des ondes lumineuses ouvre de nouvelles possibilités de recherche remarquables, à commencer par le fait que nous pouvons caractériser le milieu dans lequel la lumière se propage avec une très grande précision et le fait que nous pouvons également suivre ces branches avec précision et étudier leurs propriétés."

Distingué Prof. Moti Segev, le professeur distingué Robert J. Shillman de physique et de génie électrique, regarde vers l'avenir. "J'éduque toujours mon équipe à penser au-delà de l'horizon, " il a dit, "penser à quelque chose de nouveau, et en même temps, à regarder les faits expérimentaux tels qu'ils sont, plutôt que d'essayer d'adapter les expériences pour répondre à certains comportements attendus. Ici, Tolik essayait de mesurer quelque chose de complètement différent, et fut surpris de voir ces branches lumineuses qu'il ne pouvait d'abord expliquer. Il a demandé à Miguel de se joindre aux expériences, et ensemble, ils ont considérablement amélioré les expériences, au point de pouvoir isoler la physique impliquée. C'est alors que nous avons commencé à comprendre ce que nous voyons. Il nous a fallu plus d'un an pour comprendre que ce que nous avons est l'étrange phénomène de "flux ramifié, " qui à l'époque n'a jamais été considérée dans le contexte des ondes lumineuses. Maintenant, avec cette observation, nous pouvons penser à une pléthore d'idées nouvelles. Par exemple, en utilisant ces branches légères pour contrôler l'écoulement fluidique dans le liquide, ou pour combiner le savon avec un matériau fluorescent et faire que les branches deviennent de petits lasers. Ou d'utiliser les membranes de savon comme plate-forme pour explorer les principes fondamentaux des ondes, comme les transitions de la diffusion ordinaire qui est toujours diffusive, à flux ramifié, et par la suite à la localisation d'Anderson. Il existe de nombreuses façons de poursuivre cette étude pionnière. Comme nous l'avons fait plusieurs fois dans le passé, nous voudrions hardiment aller là où personne n'est allé auparavant."

Le projet se poursuit maintenant dans les laboratoires des Profs. Segev et Sivan au Technion, et en parallèle dans le laboratoire nouvellement créé du professeur Miguel Bandres à l'UCF.