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Les 10 découvertes de 2017

[9] Une lumière aux propriétés exotiques

04-01-2018

Des chercheurs créent une lumière qui poursuit sa route derrière les obstacles sans diffuser.

Lorsque la lumière provenant du Soleil pénètre dans notre atmosphère, elle rencontre les innombrables particules microscopiques qui y flottent. Celles-ci jouent alors les trouble-fêtes et « désorganisent » l’onde lumineuse, l’envoyant valser dans tous les sens. Ce phénomène, appelé diffusion, explique notamment pourquoi le ciel nous semble bleu, car le bleu diffuse plus que les autres couleurs contenues dans la lumière solaire.

Avec des collègues du Conseil national de la recherche (CNR) en Italie, Stéphane Kéna-Cohen, professeur de Polytechnique Montréal, a réussi à produire une lumière qui traverse les milieux normalement diffusants sans être diffusée. Cet exploit, qui a été publié dans Nature Physics, est d’autant plus impressionnant qu’il a été accompli à température ambiante, plutôt qu’à une température digne de la surface glaciale de Pluton.

Ce succès repose sur une nanostructure de 1 cm sur 1 cm mise au point par Stéphane Kéna-Cohen et son équipe, à Montréal. Elle renferme deux miroirs placés face à face et séparés par une mince couche de molécules organiques de 100 nanomètres (nm) d’épaisseur – à titre de comparaison, le diamètre d’un cheveu est d’environ 50 000 nm. « On peut le comparer à un genre de sandwich de matériaux semi-conducteurs dans lequel les deux tranches de pain sont en fait deux miroirs très réflectifs », illustre le scientifique.

L’équipe italienne, avec laquelle collabore le docteur Kéna-Cohen, a ensuite excité la structure à l’aide d’un laser ultrarapide capable de générer des impulsions courtes et des intensités fortes. Celle-ci s’est alors mise à produire ce qu’on appelle des « polaritons », de là d’ailleurs son nom de « laser à polaritons ».

Ces polaritons sont des hybrides de lumière et de matière; il s’agit de photons (lumière) associés à des électrons (matière). « Les polaritons ont plusieurs propriétés semblables aux photons, mais ils ont l’avantage de pouvoir interagir entre eux grâce aux électrons qu’ils contiennent. Cette interaction entre les polaritons permet théoriquement à la lumière de se propager sans être perturbée par les obstacles et de les traverser sans être diffusée », explique Stéphane Kéna-Cohen.

C’est précisément ce qui est arrivé. Au fur et à mesure que les interactions entre les polaritons ont gagné en force, leur densité a augmenté, permettant du même coup à la lumière de cesser de se disperser dans tous les sens comme elle le fait normalement. En d’autres mots, la lumière a atteint un état de superfluidité, où elle se met alors à s’écouler sans être perturbée.

Ce comportement particulier, découvert au début du XXe siècle, rappelle celui des liquides à très basse température. Auparavant, la seule manière d’obtenir un état de superfluidité était de refroidir de l’hélium liquide jusqu’à atteindre des valeurs près du zéro absolu (-273 °C).

Cette découverte pourrait notamment aider à limiter les pertes dans les circuits optoélectroniques de futurs ordinateurs. « Au lieu d’être entravée par des défauts de fabrication, la lumière superfluide circulerait alors sans pertes », fait valoir Stéphane Kéna-Cohen qui insiste toutefois sur le caractère hautement spéculatif de ces débouchés. « Ce n’est pas pour demain », soutient-il.

Ont aussi participé à cette recherche : Fabio Barachati de Polytechnique Montréal; des chercheurs du CNR Nanotec (Italie); de l’Université du Salento (Italie); de l’université Aalto (Finlande); et de l’Imperial College London (Royaume-Uni).
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