04 Mar 2019

Des macromolécules de lumière synthétisables pour la première fois

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Comprendre et contrôler les ondes et leurs mouvements (comme les vagues océaniques, la lumière, le son, etc…) fascine l’homme depuis plusieurs siècles. Ce sujet d’étude est aujourd’hui au centre des sciences physiques et de l’ingénierie. A ce sujet, un exemple récent des avancées scientifiques et technologiques est la fibre optique, qui a révolutionné la photonique en offrant de remarquables contrôles sur les ondes lumineuses pour les télécommunications, l’imagerie médicale, les lasers ainsi qu’une multitude d’applications. Cette année, de nouvelles recherches en physique théorique et expérimentale appliquées à la photonique ont permis de montrer comment façonner des ondes lumineuses avec une structure analogue à de larges molécules de matière (macromolécules), à la manière d’une chaîne polymère (large molécule constituée d’un motif répétitif d’atomes et de liaisons). Chaque atome ou élément constitutif de la « molécule photonique » obtenue correspond à une respiration ou pic de forte amplitude de l’onde lumineuse (voir illustration). Les structures générées présentent une analogie aux liaisons chimiques entre les pics (comme des liaisons simples, doubles, ou triples) qui se répètent indéfiniment, créant ainsi des composés moléculaires (ici de lumière) de très grandes longueurs. Dans ces macromolécules photoniques, la lumière subit donc une riche dynamique oscillatoire périodique lui permettant de se propager sur de longues distances sans aucune force externe ou échange d’énergie agissant sur le système.

Illustration d’ondes lumineuses avec une structure analogue à des macromolécules

Jusqu’à présent, seules des molécules photoniques simples (structure à 2 ou 3 atomes) ont été observées « de manière empirique » et limitées à des systèmes complexes d’amplification de la lumière tels que les cavités lasers. Les nouveaux résultats, publiés ce mois-ci dans un article de la prestigieuse revue Physical Review Letters, sont le fruit d’une collaboration internationale entre des chercheurs basés en France, en Russie et en Australie. Les auteurs généralisent le concept de molécules photoniques et démontrent leur possible synthèse dans des systèmes plus simples de la physique des ondes. Les expériences sont menées avec une lumière issue d’une simple diode laser sur une échelle de temps de quelques picosecondes (un millionième de millionième de seconde) dans une fibre optique standard, généralement utilisée pour les réseaux de télécommunications longue distance et les applications de fibre optique FTTH (jusqu’au domicile). Leur travail fournit également la description théorique complète de ces macromolécules d’ondes, qui peut maintenant être appliquée à de multiples domaines scientifiques tels que la physique des plasmas, des atomes froids et la dynamique des fluides (vagues océaniques). Cela améliorera la compréhension de la formation spontanée d’ondes complexes et stimulera de nouvelles applications. Enfin, notons que ces chercheurs ont réussi à isoler un seul « atome » de ces molécules de lumière, dont l’analyse détaillée a été récemment publiée dans un article marquant de la revue Physical Review E.

Les auteurs remercient le soutien financier de l’I-SITE Bourgogne Franche-Comté (Programme Investissements d’Avenir, contrat ANR-15-IDEX-03, Junior Fellowship “Breathing Light”) ainsi que la Fondation pour la Science de Russie.

« Breather wave molecules », G. Xu, A. Gelash, A. Chabchoub, V.E. Zakharov, and B. Kibler, Physical Review Letters, vol. 122, pp 084101 (2019). « Phase evolution of Peregrine-like breathers in optics and hydrodynamics », G. Xu, K. Hammani, A. Chabchoub, J.M. Dudley, B. Kibler, and C. Finot, Physical Review E, vol. 99, pp 012207 (2019) [Editors’ Suggestion]. Contact : Dr Bertrand Kibler / bertrand.kibler@u-bourgogne.fr / ICB (CNRS/UBFC) Dijon – France

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