Examen physique X a récemment rendu compte d'un nouveau résonateur optique du Technion-Israel Institute of Technology qui est sans précédent dans l'amélioration de la résonance. Développé par l'étudiant diplômé Jacob Kher-Alden sous la supervision du professeur Tal Carmon, le résonateur né du Technion a des capacités record d'amélioration de la résonance.

Un résonateur est un dispositif qui piège les ondes et les améliore ou les fait écho en les réfléchissant d'un mur à l'autre dans un processus appelé amélioration résonante. Aujourd'hui, il existe des résonateurs complexes et sophistiqués de toutes sortes à travers le monde, ainsi que de simples résonateurs que nous connaissons tous. Les exemples incluent la boîte de résonateur d'une guitare, qui améliore le son produit par les cordes, ou le corps d'une flûte, qui améliore le son créé dans l'embouchure de l'instrument.

La guitare et la flûte sont des résonateurs acoustiques dans lesquels le son résonne entre les parois du résonateur. En physique, il existe aussi des résonateurs optiques, comme dans les appareils laser. Un résonateur est, En réalité, l'un des dispositifs les plus importants en optique :"C'est le transistor de l'optique, " a déclaré le professeur Carmon.

En général, les résonateurs ont besoin d'au moins deux miroirs pour multiplier la lumière réfléchie (comme au salon de coiffure). Mais ils peuvent aussi contenir plus de deux miroirs. Par exemple, trois miroirs peuvent être utilisés pour refléter la lumière dans une forme triangulaire, quatre dans un carré, etc. Il est également possible de disposer de nombreux miroirs de forme quasi circulaire pour que la lumière circule. Plus il y a de miroirs dans le ring, plus la structure devient celle d'un cercle parfait.

Mais ce n'est pas la fin de l'histoire, car l'anneau restreint le mouvement de la lumière à un seul plan. La solution est une structure sphérique, qui permet à la lumière de tourner sur tous les plans passant par le centre du cercle, quelle que soit leur inclinaison. En d'autres termes, dans l'espace tridimensionnel.

Dans le passage de la physique à l'ingénierie, la question se pose de savoir comment réaliser un résonateur au plus près d'une sphère qui soit propre, lisse, et donne le nombre maximal de rotations pour une résonance optimale. C'est un défi qui a engagé de nombreux groupes de recherche et a donné, entre autres, un petit résonateur en verre en forme de sphère ou d'anneau, qui est maintenu à côté d'une fibre optique étroite. Un exemple de ceci a été présenté par le professeur Carmon il y a deux ans dans La nature .

Ici, il y avait encore de la place pour l'amélioration, car même la tige qui tient la sphère crée une distorsion dans sa forme sphérique. D'où, le désir est né de produire un résonateur flottant, un résonateur qui n'est tenu par aucun objet matériel.

Le premier micro-résonateur au monde a été démontré dans les années 1970 par Arthur Ashkin, lauréat du prix Nobel de physique 2018, qui présentait un résonateur flottant. Malgré l'exploit, la direction de la recherche fut bientôt abandonnée. Maintenant, inspiré par le travail de pionnier d'Ashkin, le nouveau résonateur flottant présente une amélioration de résonance de 10, 000, 000 circulations de lumière, comparé à environ 300 circulations dans le résonateur d'Ashkin.

Le résonateur en lévitation

Dans un résonateur en miroir qui réfléchit 99,9999% de la lumière, la lumière tournera d'environ un million de tours ou "allers-retours". Selon le professeur Carmon, "Si nous prenons une lumière qui a une puissance d'un watt, semblable à la lumière du flash sur un téléphone portable, et nous lui permettons de tourner d'avant en arrière entre ces miroirs, la puissance lumineuse sera amplifiée à environ un million de watts - la puissance est égale à la consommation électrique d'un grand quartier de Haïfa, Israël. Nous pouvons utiliser le rendement lumineux élevé, par exemple, pour stimuler diverses interactions lumière-matière dans la région entre les miroirs."

En réalité, un million de watts sont constitués de la même particule de lumière qui va et vient à travers la matière, mais la matière ne « sait » pas que c'est la même particule de lumière qui se déplace à plusieurs reprises à travers la matière, puisque les photons sont indiscernables. Il ne "sent" que la grande puissance. Dans un appareil de ce type, il est également important que le million de watts traverse une petite section transversale. En effet, le dispositif développé par Kher-Alden conduit la lumière en 10 millions de tours circulaires, dans laquelle la lumière est focalisée sur une zone de faisceau 10, 000 fois plus petit que la section transversale d'un cheveu. En faisant cela, Kher-Alden a atteint un record du monde dans l'amélioration de la résonance de la lumière.

Le résonateur développé par les chercheurs du Technion est composé d'une minuscule goutte d'huile hautement transparente d'environ 20 microns de diamètre, soit un quart de l'épaisseur d'une mèche de cheveux. À l'aide d'une technique appelée « pince optique, ' la goutte est maintenue en l'air à l'aide de la lumière. Cette technique est utilisée pour maintenir la goutte en l'air sans support matériel, ce qui peut endommager sa forme sphérique ou salir la goutte. Selon le professeur Carmon, "Cette invention optique ingénieuse, la pince optique, est beaucoup utilisé dans les sciences de la vie, chimie, appareils à micro-flux et plus, et ce sont précisément les chercheurs en optique qui l'utilisent à peine, un peu comme le cordonnier marchant pieds nus. Dans la présente étude, nous montrons que les pinces optiques ont un potentiel énorme dans le domaine de l'ingénierie optique. C'est possible, par exemple, pour construire un circuit optique à l'aide de plusieurs pinces optiques qui contiennent de nombreux résonateurs et contrôlent la position des résonateurs et leur forme selon les besoins.

Les dimensions minuscules de la goutte améliorent également l'intégrité sphérique, car la gravité ne le déforme guère, car il est marginal dans ces dimensions par rapport aux forces de tension superficielle à l'interface liquide qui lui donnent une forme sphérique. Dans le système unique développé par les chercheurs du Technion, la goutte d'huile est retenue par un faisceau laser et reçoit la lumière d'une autre fibre, qui reçoit également la lumière après son passage dans le résonateur.

Basé sur les propriétés de la lumière revenant à la fibre, les chercheurs peuvent savoir ce qui s'est passé à l'intérieur de la goutte. Par exemple, ils peuvent éteindre la lumière entrant dans le résonateur et examiner combien de temps un photon survivra dans le résonateur avant de s'estomper. Sur la base de ces données et de la vitesse de la lumière, ils peuvent calculer le nombre de rotations que le photon effectue (en moyenne) dans une goutte. Les résultats montrent un record du monde en amplification lumineuse :10, 000, 000 rotations qui traversent une section transversale d'environ un micron carré, augmenter la lumière 10 millions de fois.