Des physiciens du Technion-Israel Institute of Technology et de l’University of Central Florida ont observé expérimentalement un flux optique ramifié dans des films de savon liquide.
Modèle d’écoulement ramifié représenté au-dessus du modèle de couleur d’interférence généré par une faible lumière blanche, ce qui permet d’observer le paysage potentiel en même temps que l’écoulement ramifié. Crédit image : Patsyk et al, doi : 10.1038/s41586-020-2376-8.
Les ondes se propageant à travers un faible potentiel désordonné avec une longueur de corrélation plus grande que la longueur d’onde produisent des filaments étroits étonnamment longs, ou branches.
Au lieu de produire des motifs de taches complètement aléatoires, le potentiel désordonné qui varie lentement donne lieu à des filaments concentrés qui se divisent pour former un motif ressemblant aux branches d’un arbre.
Ce phénomène est appelé flux ramifié. Il a été observé pour la première fois pour des électrons et pour des cavités micro-ondes et il est généralement attendu pour des ondes de longueurs d’onde très différentes.
“Nous sommes familiers avec le fait que les ondes se propagent lorsqu’elles se propagent dans un milieu homogène. Mais pour d’autres types de milieux, les ondes peuvent se comporter de manière très différente”, a déclaré le co-auteur principal, le professeur Miguel Bandres, chercheur au College of Optics and Photonics de l’Université de Floride centrale.
“Lorsque nous avons un milieu désordonné où les variations sont lisses, comme un paysage de montagnes et de vallées, les ondes vont se propager d’une manière particulière.”
“Elles formeront des canaux qui continuent à se diviser au fur et à mesure que l’onde se propage, formant un beau motif ressemblant aux branches d’un arbre.”
Dans l’étude, le professeur Bandres et ses collègues ont couplé un faisceau laser à une membrane de savon, qui contient des variations aléatoires de l’épaisseur de la membrane.
Ils ont découvert que lorsque la lumière se propage dans le film de savon, au lieu d’être dispersée, la lumière forme des branches allongées, créant ainsi le phénomène de flux ramifié pour la lumière.
“En optique, nous travaillons habituellement dur pour que la lumière reste focalisée et se propage sous forme de faisceau collimaté, mais ici, la surprise est que la structure aléatoire du film de savon a naturellement fait en sorte que la lumière reste focalisée. C’est une autre surprise de la nature”, a déclaré le premier auteur, Anatoly Patsyk, étudiant en doctorat au département de physique et à l’Institut de l’état solide du Technion-Israel Institute of Technology.
“Il n’y a rien de plus excitant que de découvrir quelque chose de nouveau et c’est la première démonstration de ce phénomène avec des ondes lumineuses”, a ajouté le co-auteur, le professeur Uri Sivan, du département de physique et de l’Institut de l’état solide et de l’Institut de nanotechnologie Russell Berrie à l’Institut de technologie Technion-Israël.
“Cela montre que des phénomènes intrigants peuvent également être observés dans des systèmes simples et qu’il suffit d’être suffisamment perspicace pour les découvrir. À ce titre, le fait de rassembler et de combiner les points de vue de chercheurs issus de milieux et de disciplines différents a permis de dégager des perspectives vraiment intéressantes.”
“Le fait que nous l’observions avec des ondes lumineuses ouvre de nouvelles possibilités remarquables pour la recherche, à commencer par le fait que nous pouvons caractériser le milieu dans lequel la lumière se propage avec une très grande précision et le fait que nous pouvons également suivre ces branches avec précision et étudier leurs propriétés.”
“Maintenant, avec cette observation, nous pouvons penser à une pléthore de nouvelles idées”, a déclaré le co-auteur principal, le professeur Mordechai Segev, également du département de physique et de l’Institut de l’état solide et de l’Institut de nanotechnologie Russell Berrie au Technion-Israël Institute of Technology.
“Par exemple, l’utilisation de ces branches de lumière pour contrôler le flux fluidique dans un liquide, ou pour combiner le savon avec un matériau fluorescent et faire en sorte que les branches deviennent de petits lasers.”
“Ou d’utiliser les membranes de savon comme une plateforme pour explorer les principes fondamentaux des ondes, comme les transitions de la diffusion ordinaire qui est toujours diffusive, à l’écoulement ramifié, et par la suite à la localisation d’Anderson.”
“Il existe de nombreuses façons de poursuivre cette étude pionnière. Comme nous l’avons fait à de nombreuses reprises dans le passé, nous aimerions aller audacieusement là où personne n’est allé auparavant.”
L’article de l’équipe a été publié dans le numéro du 1er juillet 2020 de la revue. Nature.
