Une nouvelle expérience laser fait tourner la lumière comme un manège

Dans la vie de tous les jours, la lumière semble intangible. Nous le parcourons, le créons et l’éteignons en appuyant simplement sur un interrupteur. Mais, comme la matière, la lumière a en réalité un petit impact : elle a un élan. La lumière pousse constamment les choses et peut même être utilisée pour pousser un vaisseau spatial. La lumière peut également faire tourner des objets si elle transporte un moment angulaire orbital (OAM), propriété associée à la tendance d’un objet en rotation à continuer de tourner.

Les scientifiques savent que la lumière peut avoir une OAM depuis le début des années 90, et ils ont découvert que l’OAM de la lumière est associée à des tourbillons ou des vortex dans la phase de la lumière – la position des pics ou des creux des ondes électromagnétiques qui composent la lumière. . Initialement, la recherche sur l’OAM s’est concentrée sur les vortex qui existent dans la section transversale d’un faisceau lumineux – la phase tournant comme l’hélice d’un avion volant le long du trajet de la lumière.

Mais ces dernières années, des physiciens de l’UMD, dirigés par le professeur de physique Howard Milchberg, ont découvert que la lumière peut transporter son OAM dans un vortex tourné sur le côté : la phase tourne comme une roue de voiture, roulant avec la lumière. Les chercheurs ont appelé ces structures lumineuses des vortex optiques spatio-temporels (STOV) et ont décrit l’impulsion qu’elles transportent comme un OAM transversal.

« Avant nos expériences, on ne comprenait pas que les particules de lumière – les photons – puissent avoir un OAM orienté latéralement », explique Milchberg. « Au début, mes collègues pensaient que c’était bizarre ou faux. Aujourd’hui, la recherche sur les STOV se développe rapidement dans le monde entier, avec des applications possibles dans des domaines tels que les communications optiques, l’optique non linéaire et les formes exotiques de microscopie. »

Dans un article publié dans la revue Examen physique X, l’équipe décrit une nouvelle technique utilisée pour modifier l’OAM transversal d’une impulsion lumineuse lors de son déplacement. Leur méthode nécessite certains outils de laboratoire, comme des lasers spécialisés, mais à bien des égards, elle ressemble à faire tourner un manège de terrain de jeu ou à tordre une clé.

« Les STOV étant un nouveau domaine, notre objectif principal est d’acquérir une compréhension fondamentale de leur fonctionnement. Et l’un des meilleurs moyens d’y parvenir est de les manipuler », déclare Scott Hancock, chercheur postdoctoral en physique à l’UMD et premier auteur de le papier. « Fondamentalement, quelles sont les règles physiques pour modifier l’OAM transverse d’une impulsion lumineuse ? »

Dans des travaux antérieurs, Milchberg, Hancock et leurs collègues ont décrit comment ils ont créé et observé des impulsions lumineuses transportant l’OAM transversale, et dans un article publié dans Lettres d’examen physique en 2021, ils ont présenté une théorie qui décrit comment calculer cet OAM et fournit une feuille de route pour modifier l’OAM transversal d’un STOV.

Les conséquences décrites dans la théorie de l’équipe ne sont pas si différentes de la physique en jeu lorsque les enfants sont sur un terrain de jeu. Lorsque vous faites tourner un manège, vous modifiez le moment cinétique en le poussant, et l’efficacité d’une poussée dépend de l’endroit où vous appliquez la force : vous n’obtenez rien en poussant vers l’intérieur sur l’essieu et le plus grand changement est en poussant latéralement. le bord extérieur.

La masse du manège et tout ce qui se trouve dessus a également un impact sur le moment cinétique. Par exemple, les enfants sautant d’un manège en mouvement emportent une partie du moment cinétique, ce qui rend le manège plus facile à arrêter.

La théorie de l’équipe sur l’OAM transverse de la lumière ressemble beaucoup à la physique régissant la rotation d’un manège. Cependant, leur manège est un disque constitué d’énergie lumineuse disposé dans une dimension de l’espace et une autre du temps au lieu de deux dimensions spatiales, et son axe se déplace à la vitesse de la lumière.

Leur théorie prédit que pousser sur différentes parties d’une impulsion lumineuse d’un manège peut modifier son OAM transversal de différentes quantités et que si un peu de lumière est dispersée par un grain de poussière et quitte l’impulsion, alors l’impulsion perd un peu de lumière transversale. OAM avec.

L’équipe s’est concentrée sur les tests de ce qui s’est passé lorsqu’elle a poussé les vortex transversaux de l’OAM. Mais changer l’OAM transversal d’une impulsion lumineuse n’est pas aussi simple que de donner une forte poussée à un manège ; il n’y a aucune matière à laquelle s’accrocher et appliquer une force. Pour modifier l’OAM transversal d’une impulsion lumineuse, vous devez modifier sa phase.

Au fur et à mesure que la lumière voyage dans l’espace, sa phase change naturellement, et la vitesse à laquelle la phase change dépend de l’indice de réfraction du matériau traversé par la lumière. Milchberg et l’équipe ont donc prédit que s’ils pouvaient créer un changement rapide de l’indice de réfraction à des endroits sélectionnés de l’impulsion au fur et à mesure de son passage, cette partie de l’impulsion serait modifiée.

Cependant, si l’impulsion entière traverse la zone avec un nouvel indice de réfraction, ils ont prédit qu’il n’y aurait aucun changement dans l’OAM, comme si quelqu’un de l’autre côté d’un manège essayait de le ralentir pendant que vous êtes en train de le faire. en essayant de l’accélérer.

Pour tester leur théorie, l’équipe devait développer la capacité d’envoyer une petite section d’impulsion se déplaçant à la vitesse de la lumière. Heureusement, le laboratoire de Milchberg avait déjà inventé les outils appropriés. Dans plusieurs expériences précédentes, le groupe a manipulé la lumière en utilisant des lasers pour générer rapidement des plasmas, une phase de la matière dans laquelle les électrons ont été arrachés de leurs atomes. Le procédé est utile car le plasma apporte un nouvel indice de réfraction.

Dans la nouvelle expérience, l’équipe a utilisé un laser pour créer des colonnes étroites de plasma, qu’ils ont appelées fils transitoires, qui sont suffisamment petites et apparaissent assez rapidement pour cibler des régions spécifiques de l’impulsion en plein vol. L’indice de réfraction d’un fil transitoire joue le rôle d’un enfant poussant le manège.

Les chercheurs ont généré le fil transitoire et ont méticuleusement aligné tous leurs faisceaux afin que le fil intercepte avec précision la section souhaitée de l’impulsion porteuse de l’OAM. Après qu’une partie de l’impulsion ait traversé le fil et reçu un coup, l’impulsion a atteint un analyseur d’impulsions optiques spécial inventé par l’équipe. Comme prévu, lorsque les chercheurs ont analysé les données collectées, ils ont constaté que l’indice de réfraction modifiait l’OAM transversal de l’impulsion.

Ils ont ensuite apporté de légers ajustements à l’orientation et au timing du fil transitoire pour cibler différentes parties de l’impulsion lumineuse. L’équipe a effectué plusieurs mesures avec le fil transitoire traversant le haut et le bas de deux types d’impulsions : les STOV qui transportaient déjà un OAM transversal et un deuxième type appelé impulsion gaussienne sans aucun OAM.

Pour les deux cas correspondant à la poussée d’un manège déjà en rotation ou à l’arrêt, ils ont constaté que la poussée la plus importante était obtenue en appliquant le coup de fil transitoire près des bords supérieur et inférieur de l’impulsion lumineuse.

Pour chaque position, ils ont également ajusté la synchronisation du laser à fil transitoire sur différentes courses afin que différentes quantités d’impulsion traversant le plasma et le vortex reçoivent une quantité différente de coup de pied. Les chercheurs qui généraient auparavant des vortex de lumière qu’ils décrivent comme des « beignets volants avec le bord en premier » ont maintenant réalisé des expériences dans lesquelles ils perturbent la trajectoire des vortex en plein vol pour étudier les changements dans leur élan. Crédit image : Laboratoire d’interactions intenses laser-matière, UMD

Les chercheurs qui généraient auparavant des vortex de lumière qu’ils décrivent comme des « beignets volants avec le bord en premier » ont maintenant réalisé des expériences dans lesquelles ils perturbent la trajectoire des vortex en plein vol pour étudier les changements dans leur élan. Crédit image : Laboratoire d’interactions intenses laser-matière, UMD

L’équipe a également montré que, comme dans un manège, pousser avec la rotation ajoute de l’OAM, et pousser contre lui supprime l’OAM. Puisque les bords opposés du manège optique se déplacent dans des directions opposées, le fil plasma pourrait remplir les deux rôles en changeant de position même s’il est toujours poussé dans le même sens. Le groupe affirme que les calculs qu’ils ont effectués en utilisant leur théorie sont en excellent accord avec les résultats de leur expérience.

« Il s’avère que le plasma ultrarapide fournit un test de précision de notre théorie OAM transversale », explique Milchberg. « Il enregistre une perturbation mesurable du pouls, mais pas une perturbation si forte que le pouls soit complètement perturbé. »

L’équipe prévoit de continuer à explorer la physique associée à l’OAM transverse. Les techniques qu’ils ont développées pourraient fournir de nouvelles informations sur la façon dont l’OAM évolue au fil du temps lors de l’interaction d’un faisceau laser intense avec la matière (c’est là que le laboratoire de Milchberg a découvert pour la première fois l’OAM transverse).

Le groupe prévoit d’étudier les applications de l’OAM transverse, telles que le codage d’informations dans des impulsions lumineuses tourbillonnantes. Les résultats de cette expérience démontrent que les fluctuations naturelles de l’indice de réfraction de l’air sont trop lentes pour modifier l’OAM transversal d’une impulsion et déformer les informations qu’elle transporte.

« Cette recherche n’en est qu’à ses débuts », explique Hancock. « Il est difficile de dire où cela nous mènera. Cependant, cela semble très prometteur pour la physique fondamentale et ses applications. Le qualifier d’excitant est un euphémisme. »