Des scientifiques confirment une théorie ancienne sur l’amplification des ondes

Les ondes électromagnétiques révèlent un phénomène physique longtemps théorisé. Des chercheurs britanniques ont démontré expérimentalement un effet prédit il y a un demi-siècle, élargissant notre compréhension des interactions entre matière et rayonnement.

Des physiciens de l’Université de Southampton ont mis à l’épreuve et confirmé une théorie vieille de 50 ans en utilisant des ondes électromagnétiques. Leurs travaux ont démontré que l’énergie des ondes peut être amplifiée en faisant rebondir des «ondes torsadées» – possédant un moment angulaire – sur un objet en rotation selon certaines conditions spécifiques.

Le phénomène observé porte le nom d’«effet Zel’dovich», en hommage au physicien soviétique Yakov Zel’dovich qui a développé une théorie basée sur cette idée dans les années 1970. Jusqu’à présent, l’observation de cet effet avec des champs électromagnétiques était considérée comme impossible.

Mécanisme de l’effet Zel’dovich

Le Dr Marion Cromb, chercheur à l’Université de Southampton, a expliqué : «L’effet Zel’dovich fonctionne selon le principe que les ondes avec un moment angulaire, qui seraient normalement absorbées par un objet, sont en réalité amplifiées par cet objet s’il tourne à une vitesse angulaire suffisamment élevée. Dans ce cas, l’objet est un cylindre en aluminium et il doit tourner plus vite que la fréquence du rayonnement incident.»

L’équipe de recherche avait déjà testé avec succès cette théorie avec des ondes sonores il y a quelques années. Cependant, jusqu’à cette récente expérience, la preuve n’avait pas été apportée avec des ondes électromagnétiques. En utilisant un équipement relativement simple – un circuit résonant interagissant avec un cylindre métallique en rotation – et en créant les conditions spécifiques requises, les scientifiques ont maintenant réussi à le faire.

Analogie avec l’effet Doppler

L’effet Zel’dovich, bien que difficile à observer, présente des similitudes avec un phénomène bien connu : l’effet Doppler. Ce dernier est expérimenté quotidiennement par chacun d’entre nous. Par exemple, lorsqu’une voiture de police s’approche avec sa sirène en marche, le son perçu est plus aigu que lorsqu’elle s’éloigne. La compression des ondes sonores devant la voiture qui s’approche explique ce phénomène, résultant en une fréquence plus élevée et donc un son plus aigu.

Un décalage de fréquence similaire, appelé «Doppler rotationnel», se produit pour les ondes torsadées et la rotation relative. Dans l’effet Zel’dovich, le cylindre métallique doit tourner suffisamment vite pour que, de son point de vue, il « voie » une onde torsadée changer de fréquence angulaire au point de devenir négative. Ce changement modifie l’interaction entre l’onde et le cylindre. Habituellement, le métal absorberait l’onde, mais lorsque la fréquence de l’onde « devient négative, l’onde est amplifiée – se réfléchissant sur le cylindre avec plus d’énergie qu’à son approche.

Implications et perspectives futures

La démonstration de l’effet Zel’dovich dans différents systèmes physiques, tant acoustiques qu’électromagnétiques, suggère qu’il s’agit d’un phénomène fondamental de la nature. Les tests électromagnétiques ouvrent également la voie à l’observation de l’effet au niveau quantique, où les ondes pourraient être générées par le cylindre amplifiant le vide quantique.

Le professeur Hendrik Ulbricht de l’Université de Southampton, superviseur du projet, a conclu : «Je suis très heureux que nous ayons maintenant une preuve expérimentale de l’effet Zel’dovich électromagnétique. Dans les configurations électromagnétiques, il sera plus simple de relever le prochain grand défi, qui est la version quantique de l’effet.»

Les chercheurs affirment également que leurs découvertes pourraient être exploitées par les ingénieurs électriciens pour explorer des améliorations des générateurs à induction, tels que ceux utilisés dans les éoliennes. L’application pratique de ces résultats pourrait ainsi contribuer à l’optimisation des technologies de production d’énergie renouvelable.

Légende illustration : Matériel utilisé pour réaliser l’expérience de Zel’dovich. Crédit : Université de Southampton

Article : ‘Amplification of electromagnetic fields by a rotating body’ / ( 10.1038/s41467-024-49689-w ) – University of Southampton – Publication dans la revue Nature Communications