La lumière interagit avec son passé dans le cadre d'une expérience à double fente

Fig 1.1 : fentes de Young

 

La célèbre expérience des doubles fentes, qui a démontré que la lumière est à la fois une onde et une particule, a été réalisée en utilisant des "fentes temporelles". Les méthodes utilisées constituent une nouvelle façon de manipuler la lumière qui pourrait être utilisée pour créer des matériaux étranges appelés "cristaux de temps".

L'expérience des doubles fentes, réalisée pour la première fois par Thomas Young en 1801, consiste à envoyer un faisceau de lumière sur une plaque ou une carte dans laquelle deux petites fentes ont été découpées pour laisser passer la lumière. Lorsque les ondes lumineuses passent à travers les fentes, elles interfèrent l'une avec l'autre, provoquant un motif de bandes claires et sombres sur un écran. Ce phénomène ne serait pas possible si la lumière était simplement constituée de particules. Cette expérience a donc été l'une des premières preuves que la lumière est également une onde.

Alors que l'expérience originale de la double fente utilisait deux fentes séparées dans l'espace, Riccardo Sapienza, de l'Imperial College de Londres, et ses collègues ont réalisé une expérience similaire où les obstacles à la propagation de la lumière étaient séparés dans le temps. "La manipulation temporelle des ondes est un sujet ancien, mais elle a été essentiellement guidée par la théorie au cours des 30 dernières années", explique Riccardo Sapienza. "Il a été très difficile de faire des expériences, en particulier avec la lumière.

En effet, pour réaliser de telles expériences, il faut des matériaux capables de passer de la transparence à la réflexion à une vitesse extraordinaire, afin de créer ce que les chercheurs appellent des "fentes temporelles". Sapienza et son équipe ont utilisé un matériau appelé oxyde d'indium-étain, couramment utilisé dans les revêtements de divers écrans électroniques. Lorsqu'il est frappé par un puissant faisceau laser, il passe d'une transparence presque totale à une brève réflexion de la majeure partie de la lumière qui l'atteint.

Pour réaliser l'expérience, les chercheurs ont utilisé deux impulsions laser consécutives pour rendre le matériau réfléchissant tout en faisant briller un laser "sonde" moins puissant. La lumière du laser sonde a traversé le matériau lorsqu'il n'était pas réfléchissant et a rebondi lorsqu'elle a été frappée simultanément par une impulsion laser.

Lorsqu'ils ont mesuré la lumière qui rebondissait, les chercheurs ont trouvé des schémas d'interférence similaires à ceux observés dans la version classique de l'expérience, mais cette fois dans la fréquence de la lumière, qui détermine sa couleur, plutôt que dans sa luminosité. "Dans l'expérience de Young, la lumière entre sous un angle et ressort sous plusieurs angles, et dans notre expérience, la lumière entre à une fréquence et ressort à plusieurs fréquences", explique Sapienza.

Les calculs théoriques le prévoyaient, mais la fréquence de la lumière a oscillé beaucoup plus que ce à quoi les chercheurs s'attendaient. Le nombre d'oscillations dépend de la netteté de la transition du matériau de transparent à réfléchissant, ce qui signifie que le matériau réagissait aux impulsions laser à une vitesse incroyable - dans les quelques femtosecondes qui suivaient l'impulsion. Une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde.

"La réponse du matériau est 10 à 100 fois plus rapide que prévu, ce qui a été une grande surprise", explique M. Sapienza. "Nous espérions observer quelques oscillations, mais nous en avons vu beaucoup.

Ce temps de transition rapide pourrait être utile pour fabriquer des cristaux temporels, des matériaux étranges dont les structures mobiles se répètent à l'infini. Selon Maxim Shcherbakov, de l'université de Californie à Irvine, elle pourrait également servir à des applications plus quotidiennes. "L'interférence temporelle est une découverte passionnante qui peut trouver des applications dans de nombreuses technologies modernes, mais surtout dans les télécommunications, où la façon dont nous traitons les signaux dans le temps est très importante", explique-t-il.