Première observation des paquets d’ondes de Broglie-Mackinnon obtenue en exploitant une faille dans le théorème des années 1980

Les chercheurs du Collège d’optique et de photonique de l’Université de Floride centrale ont réalisé la première observation des paquets d’ondes de Broglie-Mackinnon en exploitant une faille dans un théorème de physique laser des années 1980.

Le document de recherche du CREOL et du professeur Ayman Abouraddy du Florida Photonics Center of Excellence et de l’assistant de recherche Layton Hall a été publié dans la revue Physique naturelle.

L’observation des paquets d’ondes optiques de Broglie-Mackinnon met en évidence les recherches de l’équipe utilisant une classe de faisceaux laser pulsés qu’ils appellent des paquets d’ondes spatio-temporelles.

Dans une entrevue avec le Dr Abouraddy, il donne un aperçu des recherches de son équipe et de ce qu’elles pourraient réserver pour l’avenir.

Vous avez accompli plusieurs « premières » au cours de cette phase de votre recherche. Pourriez-vous fournir un historique des idées théoriques qui vous ont amené ici ?

Aux débuts du développement de la mécanique quantique, il y a près de 100 ans, Louis de Broglie a fait la percée conceptuelle cruciale de l’identification des ondes avec des particules, parfois appelée dualité onde-particule. Cependant, un dilemme crucial n’a pas été résolu. Les particules sont stables dans l’espace : leur taille ne change pas au cours de leur voyage, mais les ondes changent, se propageant dans l’espace et dans le temps. Comment construire un modèle à partir des ondes proposées par de Broglie qui correspondent pourtant bien à une particule ?

Dans les années 1970, L. Mackinnon a proposé une solution en combinant la théorie de la relativité restreinte d’Einstein avec les ondes de de Broglie pour construire un «paquet d’ondes» stable qui ne se propage pas et peut donc accompagner une particule en déplacement. Cette proposition est passée inaperçue car il n’y avait pas de méthodologie pour produire un tel paquet d’ondes. Ces dernières années, mon groupe a travaillé sur une nouvelle classe de faisceaux laser pulsés que nous avons appelés «paquets d’ondes espace-temps», qui se déplacent de manière rigide dans l’espace libre.

Dans nos recherches récentes, Layton a étendu ce comportement à la propagation dans les milieux dispersifs, qui étirent normalement les impulsions optiques, à l’exception des paquets d’ondes spatio-temporelles qui résistent à cet étirement. Il a reconnu que la propagation de paquets d’ondes spatio-temporelles dans un milieu doté d’un type particulier de dispersion (dite dispersion « anormale ») correspond à la proposition de Mackinnon. En d’autres termes, les paquets d’ondes spatio-temporelles détiennent la clé pour enfin réaliser le rêve de de Broglie. En réalisant des expériences laser dans ce sens, nous avons observé pour la première fois ce que nous avons appelé les paquets d’ondes de Broglie-Mackinnon et vérifié leurs propriétés prédites.

Qu’est-ce qui rend vos résultats uniques ?

Il y a plusieurs aspects uniques de ce document. C’est le premier exemple d’impulsion se propageant invariablement dans un milieu à dispersion anormale. En fait, un théorème bien connu en physique des lasers des années 1980 prétend prouver qu’un tel exploit est impossible. Nous avons trouvé une faille dans ce théorème que nous avons exploitée lors de la conception de nos champs optiques.

De plus, tous les champs pulsés précédents qui se propagent sans changement ont été en forme de X. On a longtemps émis l’hypothèse que des paquets d’ondes invariants en forme de propagation devraient exister, mais ils n’ont jamais été observés. Nos résultats révèlent les premiers paquets d’ondes invariants en forme de O observés.

L’Office of Naval Research des États-Unis soutient vos recherches. En quoi vos découvertes sont-elles utiles pour eux et pour les autres ?

On ne sait pas encore exactement. Cependant, ces découvertes ont des conséquences pratiques en terme de propagation d’impulsions optiques dans des milieux dispersifs sans subir l’impact délétère de la dispersion.

Ces résultats pourraient ouvrir la voie à des tests optiques des solutions de l’équation de Klein-Gordon pour les particules massives, et pourraient même conduire à la synthèse de paquets d’ondes non dispersifs à l’aide d’ondes de matière. Cela permettrait également de nouvelles techniques de détection et de microscope.

Quelles sont les prochaines étapes?

Ce travail fait partie d’une étude plus large des caractéristiques de propagation des paquets d’ondes spatio-temporelles. Cela inclut la propagation à longue distance des paquets d’ondes spatio-temporelles que nous testons au Townes Institute Science and Technology Experimentation Facility (TISTEF) de l’UCF sur la côte spatiale de la Floride. D’un point de vue fondamental, le spectre optique que nous avons utilisé dans nos expériences se situe sur une trajectoire fermée. Ceci n’a jamais été réalisé auparavant et ouvre la voie à l’étude des structures topologiques de la lumière sur des surfaces fermées.