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Dec 08, 2023

Les photons s'entrechoquent – ​​sur un miroir temporel

Habituellement, les ondes électromagnétiques se traversent sans être visibles ni perturbées. Faire en sorte que les faisceaux lumineux se remarquent n’est pas une tâche facile. Généralement, les scientifiques doivent les inciter à interagir via

Habituellement, les ondes électromagnétiques se traversent sans être visibles ni perturbées. Faire en sorte que les faisceaux lumineux se remarquent n’est pas une tâche facile. En règle générale, les scientifiques doivent les inciter à interagir via des matériaux complexes. Aujourd'hui, des physiciens du centre de recherche scientifique avancée de la City University of New York (CUNY) ont conçu une méthode fondamentalement nouvelle pour faire entrer en collision des faisceaux lumineux, en les réfléchissant tous les deux sur le même miroir dans le temps. En contrôlant la lumière par la lumière, l’équipe a également démontré les capacités de mise en forme du faisceau de leur technique, avec des applications possibles dans les télécommunications et les mesures scientifiques.

L'équipe a présenté sa technologie de miroir temporel en mars dernier, mais elle a maintenant montré que deux impulsions lumineuses opposées frappant le même miroir temporel peuvent entrer en collision, un peu comme des objets massifs. De plus, les chercheurs peuvent exercer un contrôle sur le type de collision qui se produit. Les impulsions lumineuses, rapportent les chercheurs, peuvent entrer en collision de manière élastique, comme deux boules de billard rebondissant l'une sur l'autre ; de manière inélastique, comme deux morceaux de Silly Putty qui se frappent et se collent ; ou de manière constructive, comme deux balles dotées de mécanismes à ressort déclenchées par la collision, se séparant plus vite qu'elles ne se rapprochaient.

« Vous pouvez décider si l'énergie totale du système diminue, augmente ou reste la même. » — Andrea Alù, CUNY

"Nous les appelons collisions de photons car cela nous rappelle la façon dont deux objets massifs interagissent lorsqu'ils se heurtent", explique Andrea Alù, professeur distingué de physique à CUNY et auteur principal de l'étude. "Ce qui est remarquable à propos de cette interface temporelle, c'est que si vous choisissez l'instant auquel vous la conduisez, vous pouvez décider si l'énergie totale du système diminue, augmente ou reste la même."

Pour créer leur miroir temporel, l’équipe a utilisé un métamatériau spécialement conçu. Un miroir régulier est formé par un changement brusque de l’indice de réfraction entre deux matériaux, provoquant la réflexion de la lumière à l’interface. De même, un miroir temporel est formé par un changement brusque de l'indice de réfraction, mais dans le temps. La lumière réfléchie dans le temps se déplace toujours dans la même direction, mais en arrière, comme un enregistrement sonore joué à l’envers.

Cette puce métamatérielle est capable de créer un miroir temporel pour les ondes lumineuses qui la traversent, permettant à deux ondes lumineuses de s'écraser l'une sur l'autre. Shawn Rhea/Centre de recherche scientifique avancée CUNY

Les chercheurs ont réalisé ce miroir temporel à l’aide d’une ligne de transmission sinueuse de 6 mètres de long imprimée sur une puce. Ils ont connecté de nombreux interrupteurs, reliés des condensateurs entre la ligne de transmission et le sol tous les 20 centimètres, plus rapprochés qu'une longueur d'onde de la lumière. En allumant ou éteignant ces condensateurs, ils pourraient modifier l’indice de réfraction du matériau en seulement 3 nanosecondes. « Soudain, la vague donne l'impression d'être dans un milieu complètement différent », explique Alù.

Ils s’envoyaient des impulsions lumineuses depuis les deux extrémités de la ligne de transmission et changeaient l’indice de réfraction à différents moments. En modifiant le degré de chevauchement des deux faisceaux lumineux pendant le changement, ils pourraient modifier la nature de la collision : élastique, inélastique ou constructive.

De plus, en choisissant la forme de l'un des faisceaux lumineux et le moment du changement, les chercheurs ont pu remodeler efficacement l'autre faisceau en fonction de leurs besoins. Ils ont démontré l’effacement d’une section d’un signal lumineux et le raccourcissement d’une impulsion. Étant donné que l’interface temporelle fonctionne pour une vaste gamme de fréquences, cette méthode peut être utilisée pour façonner la lumière à large bande ; c'est très utile pour les communications sans fil. La capacité de façonner la lumière en rafales toujours plus courtes est également très prometteuse pour les applications de détection et de mesure.

L’équipe travaille actuellement à étendre cette méthode aux régimes de lumière visible et infrarouge. Ils s’attendent à ce que l’effet d’interaction des vagues persiste dans une vaste gamme de contextes. « En principe, on pourrait tuer un tsunami [électromagnétique] en utilisant cette technique. Vous êtes confronté à un tsunami, puis vous envoyez une vague contre lui », explique Alù. « Bien sûr, il faut le façonner correctement. Et vous devez réaliser cette transition, mais vous pouvez complètement supprimer les vagues qui viennent vers vous.