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Ralentir ou accélérer la lumière avec 2 trombones et un morceau de ficelle

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Comment ralentir ou accélérer la lumière avec deux trombones et un morceau de ficelle (ou presque...) - Une telle recette a été mise au point par une équipe du Laboratoire de nanophotonique et métrologie de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse). Cette invention, dont les conséquences seront probablement cruciales pour le développement ultérieur des technologies de communication, tranche en effet avec les résultats obtenus par le passé avant tout par la simplicité des moyens exigés mais aussi par son universalité.

Alors que toutes les manipulations antérieures de la vitesse de groupe de la lumière avaient été obtenues à l'aide de matériaux complexes (gaz d'atomes froids) ou de phénomènes sélectifs du point de vue longueur d'onde (transitions électroniques dans un solide cristallin), l'équipe dirigée par Luc Thévenaz a montré qu'il suffisait d'une simple fibre optique. Comme l'explique ce dernier "celle-ci a l'énorme avantage de permettre une procédure simple, peu coûteuse et qui fonctionne à n'importe quelle longueur d'onde, donc à celles utilisées dans les télécommunications".

Le travail du groupe de l'EPFL repose sur l'utilisation d'une interaction d'optique non-linéaire, l'effet de diffusion Brillouin stimulée, qui permet de contrôler un faisceau laser cible (celui dont la vitesse de groupe sera modifiée) à l'aide d'un faisceau incident. En effet, même si dans les conditions les plus usuelles deux faisceaux laser se croiseront sans interagir (cf. les projecteurs utilisés pour les occasions festives), la présence d'un milieu matériel où se propage la lumière (ou toute autre onde électromagnétique) change les règles du jeu si l'intensité de l'onde est suffisante. On entre alors dans le domaine de "l'optique non-linéaire".

Pour une intensité électromagnétique élevée, on parle d'optique non-linéaire car la réaction des particules qui composent la matière (la polarisation qu'acquiert celle-ci) au passage de l'onde n'est plus proportionnelle à l'intensité de cette dernière : la polarisation devient une fonction non-linéaire du champ électrique, ce qui complique grandement la description de l'influence de la matière sur la propagation lumineuse. Dans de telles conditions, si deux ondes électromagnétiques se propagent dans un même milieu matériel, la polarisation totale ne sera donc plus la somme des polarisations partielles et il y aura une interaction possible entre les deux ondes électromagnétiques via la matière. C'est ce principe qu'utilise l'effet de diffusion Brillouin stimulée qui permet de modifier les caractéristiques (intensité et fréquence) d'un premier faisceau laser à l'aide d'un second, les deux ondes électromagnétiques étant couplées par l'intermédiaire des ondes acoustiques (vibrations) du milieu de propagation.

Grâce à cette technique, Luc Thévenaz et ses collaborateurs ont démontré qu'ils pouvaient modifier très facilement une impulsion laser cible, diminuant sa vitesse de groupe d'un facteur 3,6 ou même la rendant plus grande que la vitesse de propagation de la lumière dans le vide. Toutefois, contrairement à ce que l'on pourrait croire, ce n'est pas l'augmentation de la vitesse de groupe au-delà de la limite relativiste "c", mais sa diminution qui est le résultat le plus important de ces travaux. Une première raison de cet état de fait est que les changements de vitesse de groupe opérés dépendant de la fréquence de l'onde modifiée, il est aujourd'hui reconnu que de telles manipulations ne permettent pas de transférer une information à une vitesse plus grande que "c" : l'information elle-même reste bien propagée à une vitesse inférieure à "c" et le principe de causalité relativiste est indemne (voir ci-dessous). En revanche, le fait de pouvoir ralentir de la lumière avec de la lumière est une innovation majeure puisque c'est un premier pas vers la création de réseaux de transmission ou de processeurs entièrement optiques.

En effet, grâce à leur faible coût de fabrication, leur résistance et leur flexibilité, les fibres optiques sont rapidement devenues un outil indispensable pour le monde moderne, en particulier pour les communications. Elles ont ainsi révolutionné la médecine (chirurgie, endoscopie), sont couramment utilisées pour l'éclairage (panneaux de signalisation, décoration de plans d'eau, etc.) et on estime aujourd'hui que plus de 80% des communications mondiales se font par l'intermédiaire des millions de kilomètres de câbles de fibre optique qui quadrillent la planète, transférant l'information à la vitesse de la lumière. Cependant, et c'est là que la découverte du groupe de l'EPFL prend toute son importance, les performances de cette communication sont partiellement détériorées lorsqu'il ne s'agit plus uniquement d'un transfert à l'aveuglette mais que l'on souhaite traiter ou stocker l'information. Ceci s'explique tout simplement par le fait que les technologies actuelles nécessitent une traduction des signaux lumineux en signaux électriques pour procéder à ces opérations.

Or, cette transformation ralentit considérablement le transfert de l'information puisqu'il y a en gros un facteur dix entre la vitesse de la lumière et celle des signaux électriques. Appliqué dans ce cadre, le procédé inventé à l'EPFL permettrait donc de gagner un temps non négligeable grâce à des systèmes de communication purement optiques. Mais les applications qu'envisage Luc Thévenaz vont bien au-delà de la simple amélioration des technologies actuelles de communication. Il va même jusqu'à parler de la possibilité d'employer cette technique pour générer des signaux micro-ondes de haute puissance, lesquels pourraient être utilisés par les réseaux mobiles de prochaine génération (réduisant le bruit électromagnétique global créé par les générations actuelles) ou pour une communication entre satellites mieux contrôlée et donc plus performante.

Explications : Vitesse de groupe, de phase et relativité

Lorsqu'un signal a une durée finie, il n'est pas parfaitement périodique puisqu'il ne l'est au mieux que localement, que ce soit temporellement ou spatialement (fini dans le temps implique fini dans l'espace pour une source ayant elle-même une extension spatiale finie). La théorie de Fourier permet cependant de le voir comme composé de la superposition de plusieurs signaux réellement périodiques, des ondes monochromatiques.

On parle donc de "paquet d'ondes" pour désigner le signal initial, dont on peut caractériser l'évolution par deux vitesses (voir animation ci-dessous). La première d'entre elles, la vitesse de phase, est la vitesse que semble avoir un point de la figure/forme représentative du paquet (il y a donc généralement une vitesse de phase par point de la figure), alors que la vitesse de groupe est celle avec laquelle paraît se déplacer le maximum du signal (ou bien sa forme globale si celle-ci est conservée au cours du temps). Cependant, ces deux vitesses ne sont pas les vitesses de propagation de "choses physiques", mais seulement celles de "propriétés mathématiques", cette distinction signifiant que dans le cas général elles ne correspondent pas à la vitesse de propagation d'une information ou d'une énergie.

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Ainsi, une éventuelle vitesse de groupe supraluminique ne signifie pas une violation du principe de causalité relativiste, puisque celui-ci interdit uniquement la propagation d'une énergie ou d'une information à des vitesses supérieures à celle de la lumière dans le vide "c". Pour comprendre le principe du pourquoi de cette différence entre vitesse de groupe et vitesse de transfert de l'information, il est suffisant de réaliser que l'information caractérisant un paquet d'ondes n'est pas uniquement contenue "dans son maximum" mais délocalisée dans tout le paquet. En conséquence, puisque dans les expériences où l'on a observé des vitesses de groupe supraluminiques il y a déformation du paquet d'ondes et que le transfert de l'information commence réellement au moment de l'émission de celui-ci (et non à celui de l'émission du maximum), il a toujours été vérifié que l'information a été transmise à une vitesse inférieure à c, indépendamment des vitesses de groupe observées.