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La lumière peut être superfluide, comme l'hélium

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Par Laurent Sacco, Futura

Selon deux chercheurs de l'université Paris-Sud et du CNRS, dans certaines conditions, la lumière peut être considérée comme un superfluide se propageant dans un milieu non-linéaire. Cette affirmation n'est pour l'instant que théorique mais des expériences le prouvant peuvent être réalisées.

Une simulation numérique du comportement de l'amplitude de l'onde se propageant dans le dispositif considéré par les chercheurs. L'image de gauche montre un comportement régulier et non dissipatif de superfluide. Celle de droite, bien moins régulière, montre que l'on est plus en régime superfluide lorsque l'on a dépassé une certaine vitesse critique pour la propagation d'une impulsion. © Leboeuf et Moulieras

Il y a presque un siècle, le Hollandais Heike Kamerlingh Onnes produisait de l'hélium liquide pour la première fois. Quelques années plus tard, en 1911 plus précisément, il se lança dans l'étude des propriétés électriques de métaux monoatomiques à très basses températures comme le mercure, l'étain et plomb. À cette époque, la théorie cinétique des gaz de Boltzmann et celle des électrons de Hendrik Lorentz basée sur cette dernière sont enfin prises au sérieux. Certains scientifiques, dont le célèbre Lord Kelvin, en déduisent qu'au sein d'un conducteur les électrons devraient être à l'arrêt complet au zéro absolu. Si tel était le cas, cela signifierait que la résistivité électrique doit tendre vers l'infinie au fur et à mesure que l'on s'approche de la température de 0 kelvin (K).

Onnes et d'autres physiciens n'y croient pas et pensent même plutôt le contraire. La résistivité doit décroître progressivement jusqu'à zéro.  Augustus Matthiessen avait en effet montré dans les années 1860 que la résistivité augmente généralement avec la température dans les métaux. La parole est à l'expérience et, cette même année 1911, Kamerlingh Onnes et ses collègues font la découverte de la supraconductivité en observant qu'à 4,2 K la résistivité du mercure est nulle.

On sait aujourd'hui que ce phénomène n'est pas très éloigné de celui de la superfluidité dans l'hélium liquide, liant ainsi de façon imprévue deux des contributions les plus célèbres d'Onnes à la physique. Rappelons tout de même que la superfluidité n'a été découverte qu'en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa. Dans le deux cas, il s'agit d'un phénomène quantique faisant intervenir des fluides de particules qui s'écoulent sans rencontrer de résistance. Une caractéristique centrale de ces particules est qu'il s'agit de bosons, décrit par la statistique de Bose-Einstein (la même que celle des condensats de BE).

Paul Ehrenfest, Hendrik Lorentz, Niels Bohr, et Heike Kamerlingh Onnes (1919) dans le laboratoire de cryogénie à Leiden. © Wikipedia-Domaine public

Cette statistique a été découverte au cours des recherches visant à élucider la nature de la lumière et à comprendre théoriquement le rayonnement du corps noir. Les grains de lumière, les photons, sont eux aussi des bosons. Dès lors, il n'est pas difficile d'imaginer que le transport d'ondes lumineuses dans certains matériaux puisse faire intervenir l'analogue de la supraconductivité et donc en fait de la superfluidité.

C'est précisément ce qui doit se passer dans certains guides d'ondes non linéaires convenablement réalisés si l'on en croit les calculs théoriques de deux chercheurs du laboratoire de physique théorique et modèles statistiques de l'université d'Orsay, Patricio Leboeuf et Simon Moulieras.

Pour comprendre le résultat théorique que les deux physiciens ont publié dans les célèbre Physical Review Letters, il faut savoir qu'un superfluide n'oppose aucune résistance à l'écoulement ou au déplacement d'un objet que si l'on reste dans les deux cas au-dessous d'une vitesse limite critique. Au-dessus, des phénomènes dissipatifs apparaissent.

En construisant un réseau de guides d'ondes il est possible de contrôler d'une façon déterminée la propagation d'impulsions de lumière qui ne se déplacent pas dans ce milieu à la vitesse de la lumière dans le vide. Le réseau lui-même peut ressembler à celui d'un réseau cristallin avec des défauts et tout se passe aussi comme si les photons étaient des particules massives en interaction. Les calculs montrent alors que si l'on reste dans certains régimes de vitesses de propagation de la lumière, une impulsion traverse les défauts sans subir de dissipation, exactement comme le ferait la propagation d'un superfluide.

Reste à réaliser l'expérience et elle devrait se faire dans le cadre du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN) de Marcoussis en France. Si les résultats sont conformes aux attentes, on pourrait envisager d'appliquer la théorie pour améliorer le transport de la lumière dans des milieux bruités.