La lumière tourne-t-elle à l’envers ? Une étude révèle la vérité

Dans une exploration de la physique quantique, des chercheurs polonais ont découvert un phénomène étonnant de la lumière. Cette découverte pourrait avoir des implications significatives pour l’étude des interactions lumière-matière.

La physique quantique, avec ses paradoxes et ses phénomènes étranges, continue de défier notre compréhension du monde. Un de ces phénomènes est le contre-courant, où les particules quantiques peuvent se comporter de manière opposée à ce que nous attendrions dans le monde macroscopique.

« Si vous lancez une balle de tennis, vous ne vous attendez pas à ce qu’elle change soudainement de direction et revienne vers vous comme un boomerang », note Bohnishikha Ghosh, doctorante à la Faculté de Physique de l’Université de Varsovie. « Cependant, tout se complique lorsque nous traitons des particules en mécanique quantique. »

En effet, en mécanique quantique, une particule peut se trouver dans une superposition, c’est-à-dire qu’elle peut être dans deux ou plusieurs positions à la fois. Les particules quantiques peuvent donc avoir une probabilité de se déplacer en arrière ou de tourner dans la direction opposée pendant certaines périodes de temps.

Le contre-courant dans l’optique

Le contre-courant dans les systèmes quantiques n’a pas encore été observé expérimentalement. Cependant, il a été réalisé avec succès dans l’optique classique, en utilisant des faisceaux de lumière. Dans une étude récente publiée dans la revue «Optica», les chercheurs de l’Université de Varsovie ont démontré l’effet de contre-courant en deux dimensions.

« Dans notre étude, nous avons superposé deux faisceaux de lumière tournant dans le sens des aiguilles d’une montre et observé localement des torsions dans le sens contraire des aiguilles d’une montre », explique le Dr Radek Lapkiewicz, responsable du Laboratoire d’Imagerie Quantique à la Faculté de Physique.

Pour observer ce phénomène, les chercheurs ont utilisé un capteur de front d’onde Shack-Hartman. Ce système, qui se compose d’un réseau de microlentilles placé devant un capteur CMOS, offre une grande sensibilité pour les mesures spatiales en deux dimensions.

Les implications de la découverte

Il est important de noter que les faisceaux de lumière avec une dépendance de phase azimutale (spirale) qui portent un moment angulaire orbital ont été générés pour la première fois expérimentalement en 1993. Depuis lors, ils ont trouvé des applications dans de nombreux domaines, tels que la microscopie optique ou les pinces optiques, un outil qui permet une manipulation complète des objets à l’échelle micro et nanométrique.

Comme le soulignent les scientifiques, leur démonstration actuelle peut être interprétée comme des superoscillations en phase.

Le lien entre le contre-courant en mécanique quantique et les superoscillations dans les ondes a été décrit pour la première fois en 2010 par le professeur Michael Berry, physicien de l’Université de Bristol.

« Le contre-courant que nous avons présenté est une manifestation de changements rapides de phase, qui pourraient être importants dans des applications qui impliquent des interactions lumière-matière comme le piégeage optique ou la conception d’horloges atomiques ultra-précises », conclut Bohnishikha Ghosh.

En synthèse

La découverte du contre-courant azimutal par les chercheurs de l’Université de Varsovie est une contribution significative à notre compréhension de la physique quantique. Cette découverte pourrait avoir des implications importantes pour l’étude des interactions lumière-matière et représente une étape vers l’observation du contre-courant quantique en deux dimensions. Alors que la physique quantique continue de défier notre compréhension du monde, des découvertes comme celle-ci nous rapprochent un peu plus de la résolution de ses mystères.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le contre-courant en physique quantique ?

Le contre-courant est un phénomène en physique quantique où les particules peuvent se comporter de manière opposée à ce que nous attendrions dans le monde macroscopique. Par exemple, une particule peut avoir une probabilité de se déplacer en arrière ou de tourner dans la direction opposée pendant certaines périodes de temps.

Qu’est-ce que la superposition en mécanique quantique ?

La superposition est un concept en mécanique quantique où une particule peut être dans deux ou plusieurs positions à la fois.

Qu’est-ce que le contre-courant azimutal en optique ?

Le contre-courant azimutal est un phénomène observé lorsque deux faisceaux de lumière tournant dans le sens des aiguilles d’une montre sont superposés, produisant localement des torsions dans le sens contraire des aiguilles d’une montre.

Qu’est-ce que les superoscillations ?

Les superoscillations se réfèrent à des situations où l’oscillation locale d’une superposition est plus rapide que son composant Fourier le plus rapide. C’est un phénomène qui a été prédit pour la première fois en 1990 par Yakir Aharonov et Sandu Popescu.

Quelles sont les implications de cette découverte ?

Cette découverte pourrait avoir des implications importantes pour l’étude des interactions lumière-matière et représente une étape vers l’observation du contre-courant quantique en deux dimensions.

Principaux enseignements

Références

Légende illustration principale : La superposition de deux faisceaux lumineux d’amplitudes différentes ne transportant qu’un moment angulaire orbital (MAO) négatif donne lieu à un MAO localement positif dans les régions sombres. Cet effet contre-intuitif est appelé « retour azimutal ». (Crédits artistiques : Anat Daniel, Faculté de physique, Université de Varsovie)

Article : « Azimuthal backflow in light carrying orbital angular momentum » – DOI: 10.1364/OPTICA.495710

Optica, Université de Varsovie, Faculté de Physique, Laboratoire d’Imagerie Quantique, Dr Radek Lapkiewicz, Bohnishikha Ghosh, Bernard Gorzkowski, Dr Anat Daniel, Yakir Aharonov, Sandu Popescu, Michael V. Berry