Des chercheurs de l'Université de Floride centrale ont développé un nouveau type de faisceau laser qui ne suit pas les principes de longue date sur la façon dont la lumière se réfracte et se déplace.

Les résultats, qui ont été publiés récemment dans Photonique de la nature , pourrait avoir d'énormes implications pour la communication optique et les technologies laser.

"Cette nouvelle classe de faisceaux laser a des propriétés uniques qui ne sont pas partagées par les faisceaux laser communs, " dit Ayman Abouraddy, professeur au Collège d'optique et de photonique de l'UCF et chercheur principal de l'étude.

Les poutres, appelés paquets d'ondes spatio-temporelles, suivre des règles différentes quand ils se réfractent, c'est alors qu'ils traversent différents matériaux. Normalement, la lumière ralentit lorsqu'elle pénètre dans un matériau plus dense.

"En revanche, les paquets d'ondes spatio-temporelles peuvent être agencés pour se comporter de la manière habituelle, ne pas changer de vitesse du tout, voire d'accélérer anormalement dans des matériaux plus denses, " Abouraddy dit. " A ce titre, ces impulsions lumineuses peuvent arriver à différents points de l'espace en même temps."

"Pensez à la façon dont une cuillère à l'intérieur d'un verre rempli d'eau semble brisée au point où l'eau et l'air se rencontrent, " dit Abouraddy. " La vitesse de la lumière dans l'air est différente de la vitesse de la lumière dans l'eau. Et donc, les rayons lumineux finissent par se courber après avoir traversé la surface entre l'air et l'eau, et donc apparemment la cuillère a l'air tordue. C'est un phénomène bien connu décrit par la loi de Snell."

Bien que la loi de Snell s'applique toujours, le changement sous-jacent de la vitesse des impulsions n'est plus applicable pour les nouveaux faisceaux laser, dit Abouraddy. Ces capacités sont contraires au principe de Fermat qui dit que la lumière voyage toujours de telle sorte qu'elle emprunte le chemin le plus court, il dit.

"Ce que nous trouvons ici, bien que, peu importe à quel point les matériaux que la lumière traverse sont différents, il existe toujours un de nos paquets d'ondes spatio-temporelles qui pourrait traverser l'interface des deux matériaux sans changer sa vitesse, » dit Abouraddy. « Alors, quelles que soient les propriétés du milieu, il traversera l'interface et continuera comme s'il n'y était pas."

Pour la communication, cela signifie que la vitesse d'un message circulant dans ces paquets n'est plus affectée par le passage à travers différents matériaux de densités différentes.

"Si vous pensez à un avion essayant de communiquer avec deux sous-marins à la même profondeur mais l'un est loin et l'autre à proximité, celui qui est le plus éloigné subira un délai plus long que celui qui est à proximité, " dit Abouraddy. " Nous constatons que nous pouvons faire en sorte que nos impulsions se propagent de telle sorte qu'elles arrivent aux deux sous-marins en même temps. En réalité, maintenant la personne qui envoie le pouls n'a même pas besoin de savoir où se trouve le sous-marin, tant qu'ils sont à la même profondeur. Tous ces sous-marins recevront le pouls en même temps, vous pourrez donc les synchroniser à l'aveuglette sans savoir où ils se trouvent."

L'équipe de recherche d'Abouraddy a créé les paquets d'ondes spatio-temporelles en utilisant un dispositif appelé modulateur spatial de lumière pour réorganiser l'énergie d'une impulsion lumineuse afin que ses propriétés dans l'espace et dans le temps ne soient plus séparées. Cela leur permet de contrôler la "vitesse de groupe" de l'impulsion lumineuse, qui est approximativement la vitesse à laquelle le pic de l'impulsion se déplace.

Des travaux antérieurs ont montré la capacité de l'équipe à contrôler la vitesse de groupe des paquets d'ondes spatio-temporelles, y compris dans les matériaux optiques. L'étude actuelle s'est appuyée sur ces travaux en découvrant qu'ils pouvaient également contrôler la vitesse des paquets d'ondes spatio-temporelles à travers différents médias. Cela ne contredit en rien la relativité restreinte, car elle s'applique à la propagation du pic d'impulsion plutôt qu'aux oscillations sous-jacentes de l'onde lumineuse.

"Ce nouveau domaine que nous développons est un nouveau concept de faisceaux lumineux, » dit Abouraddy. « Du coup, tout ce que nous examinons dans l'utilisation de ces faisceaux révèle un nouveau comportement. Tout le comportement que nous connaissons de la lumière prend en réalité tacitement une présomption sous-jacente que ses propriétés dans l'espace et dans le temps sont séparables. Donc, tout ce que nous savons en optique est basé là-dessus. C'est une hypothèse intégrée. C'est considéré comme l'état naturel des choses. Mais maintenant, briser cette hypothèse sous-jacente, nous commençons à voir de nouveaux comportements partout."

Les co-auteurs de l'étude étaient Basanta Bhaduri, auteur principal et ancien chercheur au Collège d'optique et de photonique de l'UCF, maintenant avec Bruker Nano Surfaces en Californie, et Murat Yessenov, un doctorant au collège.

Bhaduri s'est intéressé aux recherches d'Abouraddy après avoir lu à ce sujet dans des revues, tel que Optique Express et Photonique de la nature , et a rejoint l'équipe de recherche du professeur en 2018. Pour l'étude, il a aidé à développer le concept et a conçu les expériences, ainsi que les mesures effectuées et les données analysées.

Il dit que les résultats de l'étude sont importants à bien des égards, y compris les nouvelles pistes de recherche qu'elle ouvre.

"La réfraction spatio-temporelle défie nos attentes dérivées du principe de Fermat et offre de nouvelles opportunités pour modeler le flux de lumière et d'autres phénomènes ondulatoires, " dit Bhaduri.

Les rôles de Yessenov comprenaient l'analyse des données, dérivations et simulations. Il dit qu'il s'est intéressé au travail en voulant explorer davantage l'intrication, ce qui dans les systèmes quantiques, c'est quand deux objets bien séparés ont encore une relation l'un avec l'autre.

"Nous pensons que les paquets d'ondes spatio-temporelles ont plus à offrir et que de nombreux autres effets intéressants peuvent être dévoilés en les utilisant, " dit Yessenov.

Abouraddy dit que les prochaines étapes de la recherche incluent l'étude de l'interaction de ces nouveaux faisceaux laser avec des dispositifs tels que des cavités laser et des fibres optiques, en plus d'appliquer ces nouvelles connaissances à la matière plutôt qu'aux ondes lumineuses.