Une équipe internationale de physiciens a prédit théoriquement et généré expérimentalement des faisceaux lumineux dotés d’une nouvelle propriété qu’ils appellent l’auto-couple de la lumière. Cette découverte, rapportée dans le journal Sciencepourrait nous aider à comprendre la physique des trous noirs binaires et à contrôler la dynamique des molécules et des nanostructures.
Deux impulsions laser infrarouges vortex décalées dans le temps (en haut à gauche) frappent une cible gazeuse pour générer une lumière EUV cohérente avec un moment angulaire orbital dépendant du temps (à droite) : le couple propre de la lumière. Crédit image : Kevin Dorney, JILA.
Les faisceaux lumineux transportent à la fois de l’énergie et un momentum, qui peuvent exercer une pression faible mais détectable sur les objets qu’ils éclairent.
En 1992, on s’est rendu compte que la lumière peut également posséder un moment angulaire orbital (OAM) lorsque la forme spatiale du faisceau de lumière tourne – ou se tord – autour de son propre axe.
Bien que non visible à l’œil nu, la présence de l’OAM peut être révélée lorsque le faisceau lumineux interagit avec la matière.
Les faisceaux OAM permettent de nouvelles applications dans les communications optiques, la microscopie, l’optique quantique et la manipulation de microparticules.
Jusqu’à présent, cependant, tous les faisceaux OAM – également connus sous le nom de faisceaux vortex – ont été statiques, c’est-à-dire que l’OAM ne varie pas dans le temps.
Afin de réaliser une toute nouvelle propriété de la lumière, qui se manifeste sous la forme d’un OAM variant dans le temps le long de l’impulsion lumineuse, le physicien du JILA Kevin Dorney, le Dr Laura Rego de l’Université de Salamanque et leurs collègues ont exploité la physique quantique inhérente au processus de génération de hautes harmoniques (HHG).
“Pour créer cette génération d’harmoniques élevées avec la lumière, une impulsion laser femtoseconde intense est décalée vers les hautes fréquences du laser de commande en créant essentiellement une antenne rayonnante à l’échelle nanométrique à partir d’un atome qui est en train d’être ionisé”, ont-ils expliqué.
“Lorsqu’ils sont correctement accordés en phase, des faisceaux brillants et cohérents de type laser peuvent être générés qui s’étendent de l’extrême ultraviolet (EUV) aux régions des rayons X mous du spectre électromagnétique.”
“Le processus HHG est cohérent, ce qui signifie qu’il doit conserver à la fois l’énergie et la quantité de mouvement pendant le processus d’upconversion, ce qui est le secret de la création de faisceaux EUV auto-torqués”.
Cette percée a montré que la lumière EUV produite par HHG peut effectivement posséder un OAM dépendant du temps.
Et ce faisant, ils ont découvert l’auto-couple de la lumière, qui est comme une clé à molette qui accélère lorsqu’elle serre un boulon. Cependant, cette clé est composée de photons et tourne autour d’elle plus vite qu’un électron autour d’un noyau d’hydrogène.
Normalement, lorsque le HHG est piloté par un faisceau laser en forme de “beignet”, les règles de conservation imposent que chaque harmonique ait un OAM égal au nombre d’harmoniques multiplié par l’OAM du laser de pilotage”, a déclaré Dorney.
“Cependant, si nous pilotons le processus HHG avec une paire d’impulsions laser retardées dans le temps et possédant des OAM différents, alors les choses deviennent vraiment intéressantes.”
“La paire d’impulsions retardées entraîne l’émission d’une lumière EUV avec un OAM variable dans le temps, qui progresse doucement à travers une octave d’états OAM.”
“Comme le contenu de l’OAM varie dynamiquement le long de l’impulsion EUV, le faisceau lumineux continue d’accélérer et possède donc un auto-couple.”
