Un bel exemple de sérendipité. Alors qu’une équipe de chercheurs du Technion (Israel Institute of Technology) travaillait sur un autre sujet, elle a pu démontrer pour la première fois un flux de lumière ramifié. L‘équipe a combiné un faisceau laser à une membrane de savon et a découvert que lorsque la lumière se propage dans le film de savon, plutôt que d’être dispersée, la lumière forme des branches allongées, créant le phénomène de flux ramifié de lumière. Les résultats ont été présentés en Une de la prestigieuse revue Nature.
L’étude a été réalisée par le doctorant Anatoly (Tolik) Patsyk en collaboration avec Miguel A. Bandres, qui était boursier postdoc au Technion au début du projet et qui est à présent professeur adjoint au CREOL (College of Optics and Photonics, University of Central Florida). La recherche a été dirigée par le président du Technion, le professeur Uri Sivan et le professeur distingué Mordechai (Moti) Segev des facultés de physique et de génie électrique du Technion, du Solid State Institute et du Russell Berrie Nanotechnology Institute.
Observation of branched flow of light
Lorsque les ondes rencontrent des obstacles, elles se dispersent naturellement, souvent dans toutes les directions. La diffusion de la lumière est un phénomène que l’on retrouve partout dans la nature. C’est la raison de la couleur bleue du ciel. « Lorsque la distance sur laquelle l’onde évolue est beaucoup plus grande que la longueur d’onde, l’onde se disperse de manière atypique : elle forme des canaux (branches) qui continuent de se diviser ou de se ramifier au fur et à mesure que l’onde se propage », explique Célia Kagan, étudiante ingénieur à l’ESME Sudria Paris. Ce phénomène est connu sous le nom d’écoulement ramifié. Il a été observé pour la première fois en 2001 dans des électrons et avait été suggéré comme omniprésent et se produisant également pour toutes les ondes dans la nature, par exemple les ondes sonores ou les vagues de l’océan. Les chercheurs du Technion apportent ce nouvel aspect du flux ramifié au domaine de la lumière : ils ont observé expérimentalement le flux ramifié de la lumière.
Pr Miguel Brandes
«Nous voulions découvrir quelque chose de nouveau. Ce n’était pas ce que nous cherchions mais nous avons trouvé bien mieux», explique avec enthousiasme le Pr assistant Miguel Bandres. «Nous savons comment les ondes se propagent dans un milieu homogène. Mais ailleurs, elles peuvent se comporter de manière très différente. Dans un paysage de montagnes et de vallées, les ondes se propagent d’une manière particulière. Elles forment des canaux qui continueront de se diviser à mesure que l’onde se propage, formant un beau motif ressemblant aux branches d’un arbre. »
«En optique, nous travaillons dur pour que la lumière reste focalisée et se propage comme un faisceau collimaté (lumière dont les rayonnements sont quasiment parallèles et se déploient lentement quand ils se propagent), mais ici la surprise est que malgré la structure aléatoire du film de savon la lumière est restée focalisée », explique Tolik Patsyk.
Pouvoir créer un écoulement ramifié dans le domaine de l’optique offre de nouvelles opportunités passionnantes pour étudier et comprendre ce phénomène universel.
Pr Uri Sivan
«C’est la première démonstration de ce phénomène. Cela montre que des phénomènes étranges peuvent être observés dans des systèmes simples et qu’il suffit d’être perspicace. Assembler et combiner les points de vue de chercheurs pluridisciplinaires a conduit à des perspectives vraiment intéressantes. Pouvoir observer avec des ondes lumineuses ouvre de nouvelles possibilités de recherche remarquables : nous pourrions caractériser le milieu dans lequel la lumière se propage avec une très grande précision, suivre ces branches et étudier leurs propriétés », explique le Pr Uri Sivan, président du Technion.
Le Prof. Moti Segev décrit : «J’enseigne toujours à mon équipe à penser au-delà de l’horizon et en même temps à regarder les faits expérimentaux tels qu’ils sont, plutôt que d’essayer d’adapter les expériences pour répondre à certains comportements attendus. Tolik essayait de mesurer quelque chose de complètement différent et a été surpris de voir ces branches fluides qu’il ne pouvait pas expliquer initialement. Avec Miguel, ils ont considérablement amélioré les expériences. Alors nous avons commencé à comprendre ce que nous observions. Il nous a fallu plus d’un an pour comprendre l’étrange phénomène de «flux ramifié», qui à l’époque n’était jamais envisagé dans le contexte des ondes lumineuses. Maintenant, avec cette découverte nous pouvons penser à une pléthore de nouvelles idées». Moti Segev pense que cette découverte pourrait s’appliquer au domaine médical en permettant un examen plus précis des vaisseaux sanguins et des veines et résoudre certains problèmes de santé.
Le projet se poursuit désormais dans les laboratoires des Profs. Segev et Sivan au Technion et en parallèle dans le tout nouveau laboratoire du Pr Miguel Bandres à l’UCF (University of central Florida).