Grâce à une modélisation informatique avancée, une équipe de recherche dirigée par l’université d’Oxford, en partenariat avec l’Instituto Superior Técnico de l’université de Lisbonne, a réalisé les premières simulations tridimensionnelles en temps réel de la manière dont des faisceaux laser intenses modifient le « vide quantique », un état que l’on croyait vide, mais qui, selon la physique quantique, est rempli de paires virtuelles d’électrons et de positrons.
| Points forts |
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| Les physiciens ont réussi à simuler l’interaction de la lumière avec l’espace vide, un phénomène que l’on croyait jusqu’à présent réservé au domaine de la science-fiction. Les simulations ont recréé un phénomène étrange prédit par la physique quantique, où la lumière semble être générée à partir de l’obscurité. Ces résultats ouvrent la voie à des installations laser réelles permettant de confirmer expérimentalement des phénomènes quantiques étranges. |
Ces simulations recréent un phénomène étrange prédit par la physique quantique, connu sous le nom de mélange à quatre ondes du vide. Selon ce phénomène, le champ électromagnétique combiné de trois impulsions laser focalisées peut polariser les paires électron-positron virtuelles du vide, ce qui fait rebondir les photons les uns sur les autres comme des boules de billard, générant ainsi un quatrième faisceau laser dans un processus de « lumière à partir de l’obscurité ». Ces événements pourraient servir de sonde pour une nouvelle physique à des intensités extrêmement élevées.
« Il ne s’agit pas d’une simple curiosité académique, mais d’une étape majeure vers la confirmation expérimentale d’effets quantiques qui, jusqu’à présent, étaient essentiellement théoriques », a déclaré le professeur Peter Norreys, coauteur de l’étude et membre du département de physique de l’université d’Oxford.
Ces travaux arrivent à point nommé, alors qu’une nouvelle génération de lasers ultra-puissants commence à être mise en service. Des installations telles que Vulcan 20-20 au Royaume-Uni, le projet européen « Extreme Light Infrastructure (ELI) » et les installations chinoises SEL (Station for Extreme Light) et SHINE sont prêtes à fournir des niveaux de puissance suffisamment élevés pour confirmer pour la première fois la diffusion photon-photon en laboratoire. La diffusion de photons a déjà été sélectionnée comme l’une des trois expériences phares de l’installation laser OPAL à double faisceau de 25 PW de l’université de Rochester, aux États-Unis.
Les simulations ont été réalisées à l’aide d’une version avancée d’OSIRIS, un logiciel de simulation qui modélise les interactions entre les faisceaux laser et la matière ou le plasma.
L’auteur principal, Zixin (Lily) Zhang, étudiante en doctorat au département de physique d’Oxford, a ajouté : « Notre programme informatique nous offre une fenêtre 3D, résolue dans le temps, sur les interactions quantiques dans le vide, qui étaient auparavant hors de portée. En appliquant notre modèle à une expérience de diffusion à trois faisceaux, nous avons pu capturer toute la gamme des signatures quantiques, ainsi que des informations détaillées sur la région d’interaction et les échelles de temps clés. Après avoir soigneusement étalonné la simulation, nous pouvons maintenant nous tourner vers des scénarios plus complexes et exploratoires, notamment des structures de faisceaux laser exotiques et des impulsions de focalisation volante ».
Ces modèles fournissent des détails essentiels dont dépendent les expérimentateurs pour concevoir des tests précis dans le monde réel, notamment des formes de laser et des durées d’impulsion réalistes. Les simulations révèlent également de nouvelles informations, notamment sur la manière dont ces interactions évoluent en temps réel et sur la façon dont de subtiles asymétries dans la géométrie du faisceau peuvent modifier le résultat.
Selon l’équipe, cet outil aidera non seulement à planifier les futures expériences sur les lasers à haute énergie, mais pourrait également contribuer à la recherche de signes de particules hypothétiques telles que les axions et les particules millichargées, qui sont des candidats potentiels pour la matière noire.
Le co-auteur de l’étude, le professeur Luis Silva (de l’Instituto Superior Tecnico de l’université de Lisbonne et professeur invité de physique à l’université d’Oxford), a conclu : « Notre nouvelle méthode de calcul mise en œuvre dans OSIRIS facilitera grandement un large éventail d’expériences planifiées dans les installations laser les plus avancées. La combinaison de lasers ultra-intenses, d’une détection de pointe et d’une modélisation analytique et numérique de pointe constitue les fondements d’une nouvelle ère dans les interactions laser-matière, qui ouvrira de nouveaux horizons pour la physique fondamentale. »
Légende illustration : Illustration de la diffusion photon-photon en laboratoire. Deux faisceaux de lasers verts pétawatt entrent en collision au foyer avec un troisième faisceau rouge pour polariser le vide quantique. Cela permet de générer un quatrième faisceau laser bleu, dont la direction et la couleur sont uniques, ce qui permet de conserver la quantité de mouvement et l’énergie. Crédit : Zixin (Lily) Zhang.
Article : ‘Computational modelling of the semi-classical quantum vacuum in 3D’ / Communications Physics / DOI 10.1038/s42005-025-02128-8
Source : U. Oxford
