En collaboration avec le groupe du professeur Mordechai Segev (Technion, Israel Institute of Technology), des physiciens du groupe du professeur Alexander Szameit (Université de Rostock) ont mis en évidence un nouveau type de mécanisme qui peut empêcher les ondes lumineuses de se propager librement. Jusqu’à présent, l’effet physique sous-jacent avait été considéré comme bien trop faible pour arrêter complètement l’expansion des vagues. Dans leurs récentes expériences, les physiciens ont observé qu’une telle localisation de la lumière est néanmoins possible, démontrant l’étrange sensibilité de la propagation des ondes sur une large gamme d’échelles de longueur spatiale. Leur découverte vient d’être publiée dans la revue Avancées scientifiques.
En 1958, Phil Anderson surprend la communauté scientifique internationale en prédisant qu’un conducteur électrique (comme le cuivre) peut brusquement se transformer en isolant (comme le verre), lorsque l’ordre cristallin atomique est suffisamment ébranlé. Dans le jargon des physiciens, un tel « désordre » peut bloquer les électrons qui autrement se déplacent librement, et ainsi empêcher tout courant électrique substantiel à travers le matériau. Ce phénomène physique, connu sous le nom de « localisation d’Anderson », ne peut être expliqué que par la mécanique quantique moderne, où les électrons sont traités non seulement comme des particules, mais aussi comme des ondes. Il s’avère que cet effet, pour lequel Phil Anderson a reçu une part du prix Nobel de physique 1977, s’applique également aux paramètres classiques : le désordre peut également supprimer la propagation des ondes sonores ou même des faisceaux lumineux.
Les recherches des professeurs de physique Alexander Szameit et Mordechai Segev portent sur les propriétés de la lumière et son interaction avec la matière. Récemment, l’équipe du professeur Segev a fait une découverte étonnante : les ondes lumineuses peuvent même montrer la localisation d’Anderson induite si le trouble leur est pratiquement imputable. Allant bien au-delà des considérations originales de Phil Anderson, ce nouveau type de désordre contient exclusivement des distributions spatialement périodiques avec certaines longueurs d’onde.
« Naïvement, on pourrait s’attendre à ce que seules les ondes dont les distributions spatiales correspondent d’une manière ou d’une autre aux échelles de longueur du trouble puissent en être affectées et potentiellement connaître la localisation d’Anderson », explique Sebastian Weidemann, qui est titulaire d’un doctorat. étudiant à l’Institut de physique dans le groupe du professeur Szameit.
« Les autres ondes devraient essentiellement se propager comme s’il n’y avait aucun désordre », poursuit le Dr Mark Kremer, qui fait également partie du groupe du professeur Szameit.
En revanche, les récents travaux théoriques de l’équipe du Technion ont suggéré que la propagation des ondes pourrait être considérablement affectée même par un tel « désordre invisible ».
« Lorsque les ondes lumineuses peuvent interagir plusieurs fois avec le désordre invisible, un effet étonnamment fort peut s’accumuler et arrêter toute propagation de la lumière », explique Ph.D. étudiant Alex Dikopoltsev du groupe du professeur Segev comme il décrit l’effet.
En étroite collaboration, les physiciens de Rostock et d’Israël démontrent pour la première fois le nouveau mécanisme de localisation. « À cette fin, nous avons construit des matériaux désordonnés artificiels à partir de kilomètres de fibre optique. Disposés de manière complexe, nos réseaux optiques imitent la propagation spatiale des électrons dans des matériaux désordonnés. Cela nous a permis d’observer directement comment des structures pratiquement invisibles peuvent piéger avec succès les ondes lumineuses. « , explique Sebastian Weidemann, qui a mené les expériences avec le Dr Mark Kremer.
Ces découvertes constituent une avancée significative dans la recherche fondamentale sur la propagation des ondes dans les milieux désordonnés et ouvrent potentiellement la voie à une nouvelle génération de matériaux synthétiques qui exploitent le désordre pour supprimer sélectivement les courants ; qu’il s’agisse de lumière, de son ou même d’électrons.
Alex Dikopoltsev et al, Observation de la localisation d’Anderson au-delà du spectre du trouble, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abn7769