Des physiciens créent des bandes de Möbius à partir de la lumière

Une équipe internationale de physiciens, dirigée par le Dr Thomas Bauer de l’Institut Max Planck pour la science de la lumière et de l’Université Friedrich-Alexander d’Erlangen-Nuremberg en Allemagne, a produit expérimentalement une structure géométrique tridimensionnelle appelée ruban de Möbius à partir de la polarisation de la lumière.

Bandes de Möbius de polarisation optique calculées numériquement et observées expérimentalement. Crédit image : Thomas Bauer et al, 10.1126/science.1260635.

Bandes de Möbius de polarisation optique calculées numériquement et observées expérimentalement. Crédit image : Thomas Bauer et al, 10.1126/science.1260635.

La lumière est une onde électromagnétique, et en tant que telle, elle possède un champ électromagnétique. La direction dans laquelle la composante électrique de ce champ oscille est communément appelée la polarisation de la lumière.

La polarisation, par exemple, est la clé pour comprendre les lunettes de soleil polarisées qui réduisent l’éblouissement et rendent possible le cinéma en 3D.

La polarisation des faisceaux de lumière solaire est généralement aléatoire, ce qui signifie que l’orientation du champ électrique est indépendante d’un faisceau à l’autre.

Mais lorsque la lumière est réfléchie par de nombreux objets, la lumière réfléchie devient polarisée dans une direction spécifique, parallèle à la surface qui réfléchit la lumière.

“La démonstration qu’un ruban de Möbius peut être constitué d’états de polarisation de la lumière est intéressante non seulement pour améliorer la compréhension fondamentale de la polarisation optique, mais aussi parce qu’elle pourrait être utilisée pour générer des structures complexes à l’échelle micro et nanométrique”, ont déclaré le Dr Bauer et ses collègues, qui ont rapporté les résultats dans le journal Science.

Dans leur expérience, l’équipe a utilisé un type de faisceau lumineux spécifique et plutôt exotique : un faisceau laser très concentré qu’ils appellent lumière structurée.

La lumière structurée présente une polarisation et une distribution de l’intensité très spécifiques dans le faisceau lumineux. Le champ électromagnétique oscille donc différemment selon les parties du faisceau. Il n’est pas toujours perpendiculaire à la direction dans laquelle la lumière se déplace, comme c’est le cas pour un faisceau laser standard.

Dans ce faisceau hautement structuré, il y aura des composantes du champ électrique dans les trois dimensions. De plus, différentes parties du faisceau auront différentes composantes du champ électrique dans différentes directions.

Pour créer le faisceau structuré et mesurer sa polarisation, le Dr Bauer et ses collègues ont utilisé une série d’outils optiques.

La lumière laser est d’abord passée à travers une plaque q – une lentille à cristaux liquides. Pour obtenir une image de la polarisation, ils ont utilisé une nanoparticule. Cette particule a été balayée sur la section transversale du faisceau et ils ont observé la lumière qu’elle a diffusée.

En déterminant comment la lumière était diffusée, et en l’utilisant effectivement comme un interféromètre, la polarisation du faisceau lumineux au foyer est détectée, et par conséquent les bandes de Möbius apparaissent.

Les bandes de Möbius montrent comment le champ électrique est orienté à chaque position sur une trajectoire circulaire entourant l’axe du faisceau laser.

Selon les particularités de la structure du faisceau laser, les scientifiques observent des bandes de Möbius de polarisation ayant des torsions 3/2 ou 5/2.

“Ces bandes démontrent la richesse de la structure qu’un faisceau lumineux peut posséder à des échelles de distance très petites, inférieures à la longueur d’onde”, a déclaré le professeur Robert Boyd de l’Université de Rochester et de l’Université d’Ottawa.

“De plus, la technique de mesure utilisée ici est très prometteuse pour sonder la nanostructure d’autres sortes de faisceaux lumineux.”

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