Quand une peinture médiévale inspire des découvertes scientifiques majeures

Les motifs tourbillonnants des rues de vortex de Kármán (KVS) fascinent par leur organisation et leur puissance. Ces structures fluides, composées de deux séquences de vortex aux circulations opposées, sont non seulement esthétiques mais aussi d’une force immense.

Dans le musée de l’église Saint-Dominique à Bologne, en Italie, une peinture représente Saint Christophe portant l’enfant Jésus à travers une rivière. Derrière les pieds nus de Christophe, des vortex entrelacés sont visibles. Theodore von Kármán a affirmé que ses recherches sur les rues de vortex ont été inspirées par cette œuvre. Cette anecdote illustre une intersection captivante entre la science et les humanités.

En 1940, le pont suspendu de Tacoma Narrow, achevé depuis seulement quatre mois, a subi des dommages en raison de la génération de rues de vortex causées par une conception inadéquate. Les vibrations et la résonance ont conduit à l’effondrement du pont, marquant la première reconnaissance par l’humanité de la puissance des KVS.

Récemment, des physiciens collaborant entre Singapour et le Royaume-Uni ont rapporté une analogie optique des KVS. Ce pulse optique de KVS révèle des parallèles fascinants entre le transport de fluides et le flux d’énergie de la lumière structurée.

« Nous présentons un type d’impulsion lumineuse dont la structure de champ présente une similitude intrigante avec une rue de vortex de von Kármán, un modèle de tourbillons observés dans la dynamique des fluides et des gaz, qui est responsable du « chant » des lignes téléphoniques suspendues dans le vent. La lumière structurée présente la structure topologique robuste des skyrmions dans la matière condensée. Contrairement aux travaux antérieurs sur les faisceaux et les impulsions skyrmioniques optiques, la configuration du champ skyrmionique dans les NDSTP n’est pas limitée par la diffraction et persiste lors de la propagation sur des distances arbitraires. Nous prévoyons que les NDSTP inspireront des applications potentielles telles que les interactions lumière-matière, la microscopie à super-résolution et la métrologie. » a indiqué Yijie Shen, auteur principal de l’étude, Université Technologique de Nanyang

Les skyrmions, des particules topologiques sophistiquées proposées initialement comme modèle unifié du nucléon par Tony Skyrme en 1962, se comportent comme des vortex magnétiques à l’échelle nanométrique avec des textures spectaculaires. Jusqu’à présent, tous les skyrmions optiques connus dans l’espace libre ne se propagent pas ou n’existent qu’autour du foyer et s’effondrent rapidement lors de la propagation.

Cependant, les pulses lumineux proposés dans cet article ne se dispersent pas pendant la propagation, permettant aux structures de champs skyrmioniques de persister lors de la propagation du pulse KVS.

Les auteurs prévoient que les singularités profondément sub-longueur d’onde de ces pulses peuvent être appliquées en métrologie et intéresser ceux qui étudient la spectroscopie des excitations toroïdales dans la matière. De plus, les pulses pourraient être utilisés pour le transfert d’informations à longue distance, encodées dans les caractéristiques topologiques des pulses, avec des applications potentielles en télécommunications, télédétection et LiDAR.

Légende illustration : Pression artistique d’une rue à anneau tourbillonnaire analogue à la structure du champ magnétique d’un NDSTP, où les anneaux tourbillonnaires de droite et de gauche ont été mis en évidence en bleu et en rouge, respectivement. Crédit : Yijie Shen, Nikitas Papasimakis, and Nikolay I. Zheludev

Article : « Nondiffracting supertoroidal pulses and optical “Kármán vortex streets” – DOI: https://www.nature.com/articles/s41467-024-48927-5