Pourrait-on un jour dompter la trajectoire des éclairs ?

Pendant un bref instant lumineux, l’éclair traverse le ciel. Bien qu’on puisse rendre plus probable son point d’arrivée en utilisant un paratonnerre, son parcours exact demeure imprévisible.

À plus petite échelle, les décharges entre deux électrodes se comportent de la même façon, zébrant l’espace et créant des arcs électriques dont seuls les points de départ et d’arrivée sont fixés. Comment dompter le courant afin qu’il suive une trajectoire définie ?

Le professeur Roberto Morandottiet ses collaborateurs parviennent à guider les décharges, et même à leur faire contourner des obstacles, à l’aide de lasers utilisés de façon astucieuse. Cette première scientifique est parue le 19 juin 2015 dans Science Advances, la nouvelle revue à accès libre des éditeurs de la prestigieuse revue internationale Science.

Mettant à profit les installations laser du Laboratoire de sources femtosecondes (Advanced Laser Light Source, ou ALLS), les chercheurs du Centre Énergie Matériaux Télécommunicationsde l’INRS ont relevé ce défi qui avait fait l’objet de recherches intensives par le passé, notamment au cours de la décennie 1970.

Depuis longtemps, les arcs électriques sont abondamment utilisés dans les technologies – notamment dans les moteurs à combustion, en contrôle de la pollution, pour l’éclairage, dans les techniques d’usinage et de micro-usinage – et leurs applications se multiplieraient avec la capacité de contrôler de façon précise leur trajectoire. Le premier pas sur cette voie est désormais franchi et l’exploration des possibilités et des nouveaux paramètres de guidage des arcs électriques promet d’éveiller la créativité des chercheurs.

Les avancées scientifiques et techniques récentes ainsi que l’ingéniosité de l’équipe du professeur Morandotti – et particulièrement du chercheur Matteo Clerici qui était postdoctorant dans le groupe de recherche au moment des expérimentations – ont fourni un contexte favorable à cette démonstration spectaculaire où l’on voit une décharge électrique à la trajectoire lisse, qu’elle soit droite ou parabolique.

Les figures expérimentales montrent différentes formes de faisceaux lasers qui confèrent des caractéristiques et des trajectoires distinctes aux décharges. Une combinaison de faisceaux permet même une trajectoire en forme de S, bien que toute autre trajectoire soit possible en principe.

Audacieux dans sa quête de connaisance, le professeur Morandotti a voulu vérifier si la propriété d’autoreconstruction de certaines formes de faisceaux (telles que les faisceaux Airy et Bessel) pouvait être mise à profit dans ces nouvelles expériences. Cette caractéristique fait en sorte qu’un faisceau laser dont le pic d’intensité est bloqué par un obstacle se reconstruit une fois l’objet passé. Son équipe a donc placé un objet entre les deux bornes électriques et a constaté que la décharge faisait un bond par-dessus ce dernier sans l’endommager et retrouvait son guide laser de l’autre côté.

« Au-delà de la fascination qu’inspirent les éclairs et les arcs électriques, il faut voir tout le potentiel de cette percée scientifique et les champs de recherche qu’elle ouvre », confie Yves Bégin, vice-recteur à la recherche et aux affaires académiques de l’INRS. « Cette spectaculaire preuve de concept, réalisée sur une distance de quelques centimètres, exigeait des lasers d’une grande puissance et des installations de recherche de pointe, un extraordinaire environnement de recherche créé sous l’initiative de nos professeurs à l’INRS. Les étudiants et les stagiaires postdoctoraux œuvrant dans de tels grands laboratoires s’engagent dès leurs études sur la voie de la découverte scientifique.»

Forme de décharges guidées par divers faisceaux

Différentes formes de décharges obtenues selon le type de faisceau utilisé.A et B: Gaussien (contrôle); C et D: Bessel; E et F: Airy; G et H: faisceau en S obtenu par la combinaison de deux faisceaux Airy. Images de gauche : aucun voltage appliqué, uniquement le faisceau laser est visible. Images de droite: décharge en présence d’un haut voltage entre les deux électrodes.

Effet d’un obstacle dans la trajectoire

A et B: Gaussien (contrôle); C et D: Bessel; E et F: Airy. À gauche : faisceau laser en absence de voltage et en présence d’un obstacle. À droite : Décharge suivant le faisceau laser et, pour les faisceaux Bessel et Airy, contournant l’obstacle avant de se reconstruire. L’insert dans D est une photo composée de plusieurs prises montrant les différentes trajectoires de la décharge près de l’obstacle avant de converger dans une trajectoire rectiligne unique