Le guidage et la capture fiables des ondes optiques sont essentiels au fonctionnement de diverses technologies contemporaines, notamment les systèmes de communication et de traitement de l’information. L'approche la plus conventionnelle pour guider les ondes lumineuses exploite la réflexion interne totale des fibres optiques et d'autres structures similaires, mais récemment, les physiciens ont exploré le potentiel de techniques basées sur d'autres mécanismes physiques.

Des chercheurs de l’Université de Californie du Sud ont récemment mis au point une approche très innovante pour piéger la lumière. Cette méthode, introduite dans Nature Physics , exploite les propriétés exotiques des points de Lagrange, les mêmes points d'équilibre qui régissent les orbites des corps célestes primordiaux, tels que les astéroïdes dits troyens dans le système Soleil-Jupiter.

"La découverte des points de Lagrange, qui s'avère cruciale dans cette recherche, remonte aux premiers travaux de Leonhard Euler et Joseph-Louis Lagrange, qui ont découvert qu'à ces endroits, l'attraction gravitationnelle exercée par deux grands corps peut être précisément contrebalancés par les forces centrifuges", ont déclaré Mercedeh Khajavikhan et Demetrios N. Christodoulides, co-auteurs de l'article, à Phys.org.

"Alors que certains de ces points, notamment et, sont déjà utilisés comme positions stratégiques dans l'espace pour la stabilité des satellites avec une consommation minimale de propulseur (comme en témoignent le télescope James Webb et le satellite Aditya L1 récemment déployé), notre étude se concentre sur les propriétés intrigantes de et points de Lagrange."

Les astéroïdes troyens sont un grand groupe d'astéroïdes tournant autour du soleil sur la même orbite que la planète Jupiter. Les points de Lagrange, nommés d'après le célèbre mathématicien Lagrange qui les a découverts, sont des positions dans l'espace dans lesquelles la force gravitationnelle de deux corps dans le même système (par exemple, le soleil et Jupiter) produit des régions d'attraction et de répulsion améliorées.

Dans le cadre de leur étude, Khajavikhan et Christodoulides ont entrepris d'étudier le potentiel d'utilisation de la physique unique de ces positions pour guider et piéger les ondes lumineuses. Dans leur article, les chercheurs ont montré que l'utilisation des points de Lagrange pour des applications optiques ressemble à certains égards à la capture d'astéroïdes troyens sur l'orbite Soleil-Jupiter.

"Le guide d'ondes optique de Lagrange est induit en faisant passer un courant à travers un fil hélicoïdal dans un cylindre d'huile de silicium durci", ont expliqué Khajavikhan et Christodoulides.

"Grâce à l'effet thermo-optique, cela produit à son tour un paysage d'indice tordu où, dans ce cas, la répulsion des photons est équilibrée par la force centrifuge. Contre-intuitivement, dans ce profil d'indice de pente de montagne, un point de Lagrange stable est produit. et par conséquent, un faisceau optique troyen est piégé de manière bidimensionnelle à cette position."

Dans le cadre de leur étude, Khajavikhan et Christodoulides ont créé dans leur laboratoire un système compact reproduisant les propriétés des points de Lagrange, telles que celles observées sur les orbites des astéroïdes troyens. Leur système construit en laboratoire était composé d'un fil de fer de forme hélicoïdale inséré dans un milieu dont l'indice de réfraction dépend de la température.

Les chercheurs pourraient ensuite chauffer ce milieu de manière non homogène en faisant passer de l'électricité à travers le fil. En fin de compte, ce processus a permis la formation de ce qu'ils appellent un faisceau optique troyen.

Cette expérience simple a conduit à des observations très intéressantes. Il est intéressant de noter que les chercheurs ont découvert que les faisceaux optiques du cheval de Troie pouvaient être guidés ou capturés dans cet environnement d'indice de réfraction défocalisé, ce qui n'est pas réalisable dans des circonstances normales.

"Plus important encore, le paysage de l'indice de réfraction dans lequel ces faisceaux optiques sont capturés est totalement banal, ne présentant aucune caractéristique qui pourrait prédire une réponse directrice", ont déclaré Khajavikhan et Christodoulides. "Essentiellement, le faisceau optique est piégé dans un pays nulle part, dans des régions complètement discrètes où aucune structure de guide d'onde conventionnelle n'existe."

Les travaux récents de cette équipe de chercheurs montrent que les caractéristiques uniques des points de Lagrange peuvent être exploitées pour guider et piéger les ondes lumineuses. À l'avenir, cela pourrait donner lieu au développement de nouvelles techniques pour guider les ondes optiques dans des environnements non conventionnels lorsque les approches conventionnelles sont inefficaces, comme dans les liquides et les gaz.

"Une voie possible pour une exploration plus approfondie pourrait être l'utilisation de faisceaux de Troie dans des systèmes d'amplification (laser), où le gain ou la perte optique peut établir des moyens alternatifs pour l'attraction ou la répulsion du faisceau dans des milieux entièrement diélectriques", ont déclaré Khajavikhan et Christodoulides.

Jusqu’à présent, les chercheurs se sont concentrés uniquement sur l’utilisation de points de Lagrange pour guider les faisceaux lumineux. Cependant, à l'avenir, la méthodologie qu'ils ont développée pourrait également être testée dans d'autres domaines de la physique allant au-delà de l'optique, par exemple en tant que technique permettant de guider des ondes acoustiques ou des atomes ultrafroids.

"À ce stade, nous prévoyons d'explorer la possibilité de guider la lumière dans les ondes acoustiques dans des milieux liquides et gazeux", ont ajouté Khajavikhan et Christodoulides. "Enfin, il serait intéressant d'observer pour la première fois le piégeage et le transport de micro et nanoparticules diélectriques dans des guides d'ondes de Lagrange à l'aide de faisceaux tracteurs optiques où plusieurs points de Lagrange peuvent être induits - un aspect qui n'est pas possible en mécanique céleste."

Plus d'informations : Haokun Luo et al, Guidage des faisceaux lumineux troyens via des points de Lagrange, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02270-6

Informations sur le journal : Physique de la nature

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