Lorsque la lumière interagit avec la matière à des intensités extrêmes, proches de la limite de Schwinger, plusieurs effets et phénomènes intrigants se produisent. La limite de Schwinger est une intensité de champ électrique critique (environ \(10^{29}\) V/cm) à laquelle les effets quantiques deviennent dominants et le vide peut créer spontanément des paires électron-positon. À des intensités approchant ce seuil, les processus et phénomènes suivants entrent en jeu :

Optique non linéaire :

À des intensités extrêmement élevées, le champ électrique de la lumière devient si puissant qu’il modifie les niveaux d’énergie électronique des atomes et des molécules. Cela conduit à des effets optiques non linéaires, notamment la génération d'harmoniques, où la lumière peut être convertie en composants de fréquence plus élevée.

Absorption multi-photons :

Lorsque la densité photonique est extrêmement élevée, plusieurs photons peuvent être absorbés simultanément par un atome ou une molécule. Cela peut conduire à une excitation vers des états d’énergie plus élevés qui ne sont pas accessibles via l’absorption d’un seul photon.

Création de paires :

Près de la limite de Schwinger, le champ électrique intense peut provoquer la création de paires électron-positon à partir du vide. Il s’agit d’un processus de mécanique quantique qui se produit lorsque l’énergie du photon dépasse le double de l’énergie au repos de l’électron.

Biréfringence sous vide :

Le champ électromagnétique intense modifie les propriétés de l’espace-temps, conduisant à une biréfringence sous vide. Cela signifie que la vitesse de la lumière dépend de la polarisation de la lumière, créant ainsi un indice de réfraction pour le vide.

Effets en cascade :

Les particules de haute énergie créées par l'absorption multiphotonique et la production de paires peuvent subir d'autres interactions, générant une cascade de particules secondaires, telles que des photons, des électrons et des positrons. Cela peut entraîner une pluie de particules à croissance rapide et très énergétique.

Effet Schwinger :

À la limite de Schwinger ou au-dessus, le vide devient instable et le champ électrique peut créer un nombre infini de paires électron-positon, conduisant à une rupture complète du vide. Cependant, il est important de noter qu’atteindre et maintenir des intensités aussi extrêmes est très difficile et dépasse les capacités expérimentales actuelles.

Ces interactions entre la lumière et la matière à proximité de la limite de Schwinger sont très complexes et nécessitent des approches théoriques et expérimentales avancées pour leur étude. Ils fournissent un aperçu des propriétés fondamentales des interactions lumière-matière, de la stabilité du vide et de l’électrodynamique quantique à ultra-hautes intensités.