Une approche de Trojan pour guider et piéger les faisceaux lumineux via les points de Lagrange

30 janvier 2024 caractéristique

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Guider et capturer de manière fiable les ondes optiques est essentiel au fonctionnement de diverses technologies contemporaines, y compris les systèmes de communication et de traitement de l'information. L'approche la plus courante pour guider les ondes lumineuses exploite la réflexion interne totale des fibres optiques et d'autres structures similaires, mais récemment, les physiciens ont exploré le potentiel de techniques basées sur d'autres mécanismes physiques.

Des chercheurs de l'Université de Californie du Sud ont récemment mis au point une approche très innovante pour piéger la lumière. Cette méthode, introduite dans Nature Physics, exploite les propriétés exotiques des points de Lagrange, les mêmes points d'équilibre qui régissent les orbites des corps célestes primordiaux, tels que les astéroïdes trojans dans le système soleil-Jupiter.

"La découverte des points de Lagrange, qui s'avère essentielle dans cette recherche, remonte aux travaux antérieurs de Leonhard Euler et Joseph-Louis Lagrange, qui ont découvert qu'à ces emplacements, l'attraction gravitationnelle exercée par deux gros corps peut être précisément compensée par des forces centrifuges", ont déclaré Mercedeh Khajavikhan et Demetrios N. Christodoulides, co-auteurs de l'article, à Phys.org.

"Alors que certains de ces points, notamment et, sont déjà utilisés comme positions stratégiques dans l'espace pour assurer la stabilité des satellites avec une consommation de propergol minimale (comme le télescope James Webb et le satellite Aditya L1 récemment déployé), notre étude se concentre sur les propriétés intrigantes des points de Lagrange."

Les astéroïdes trojans sont un grand groupe d'astéroïdes orbitant autour du soleil sur la même orbite que la planète Jupiter. Les points de Lagrange, nommés d'après le célèbre mathématicien Lagrange qui les a découverts, sont des positions dans l'espace où la force gravitationnelle de deux corps dans le même système (par exemple, le soleil et Jupiter) produit des régions d'attraction et de répulsion renforcées.

Dans le cadre de leur étude, Khajavikhan et Christodoulides ont entrepris d'étudier le potentiel d'utilisation de la physique unique de ces positions pour guider et piéger les ondes lumineuses. Dans leur article, les chercheurs ont montré que l'utilisation des points de Lagrange pour des applications optiques ressemble d'une certaine manière à la capture des astéroïdes trojans dans l'orbite soleil-Jupiter.

"Le guide d'ondes optique de Lagrange est induit en faisant passer du courant à travers un fil hélicoïdal dans un cylindre d'huile de silicium durcie", ont déclaré Khajavikhan et Christodoulides.

"Par le biais de l'effet thermo-optique, cela produit à son tour un paysage d'indice torsadé où, dans ce cas, la répulsion des photons est équilibrée par la force centrifuge. Contre-intuitivement, dans ce profil d'indice en pente de montagne, un point de Lagrange stable est produit et, par conséquent, un faisceau optique trojan est piégé de manière bidimensionnelle à cette position".

Dans le cadre de leur étude, Khajavikhan et Christodoulides ont créé un système compact dans leur laboratoire reproduisant les propriétés des points de Lagrange, comme ceux observés dans les orbites des astéroïdes trojans. Le système construit en laboratoire était composé d'un fil de fer en forme d'hélice inséré dans un milieu présentant un indice de réfraction dépendant de la température.

Les chercheurs ont ensuite pu chauffer ce milieu de manière non homogène en faisant passer de l'électricité à travers le fil. En fin de compte, ce processus a permis la formation de ce qu'ils appellent un faisceau optique trojan.

Cette expérience simple a donné lieu à des observations très intéressantes. Les chercheurs ont découvert que les faisceaux optiques trojans pouvaient être guidés ou piégés dans cet environnement de décentration de l'indice de réfraction, ce qui n'est pas possible dans des circonstances normales.

"Plus important encore, le paysage d'indice de réfraction dans lequel ces faisceaux optiques sont piégés est tout à fait ordinaire, sans aucune caractéristique permettant de prévoir une réponse de guidage", ont déclaré Khajavikhan et Christodoulides. "En essence, le faisceau optique est piégé dans une région inconnue - dans des régions complètement inconspicuous où aucune structure de guide d'onde conventionnelle n'existe."

Les récents travaux de cette équipe de chercheurs montrent que les caractéristiques uniques des points de Lagrange peuvent être utilisées pour guider et piéger les ondes lumineuses. À l'avenir, cela pourrait permettre le développement de nouvelles techniques pour guider les ondes optiques dans des environnements non conventionnels lorsque les approches conventionnelles sont inefficaces, comme dans les liquides et les gaz.

'A possible avenue for further exploration could be the use of Trojan beams in amplifying (laser) systems, where optical gain or loss can establish alternative means for beam attraction or repulsion in fully dielectric media,' Khajavikhan and Christodoulides said.

So far, the researchers have only focused on the use of Lagrange points for guiding light beams. However, in the future the methodology they developed could also be tested in other areas of physics reaching beyond optics, for instance as a technique to guide acoustic waves or ultracold atoms.

'At this point, we plan to explore the possibility of guiding light in acoustic waves in both liquid and gaseous media,' Khajavikhan and Christodoulides added. 'Finally, of interest would be to observe for the first-time trapping and transporting dielectric micro- and nano-particles in Lagrange waveguides using optical tractor beams where multiple Lagrange points can be induced—an aspect that is not possible in celestial mechanics.'

Journal information: Nature Physics

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