Décrypter les énigmes de la lumière – Une nouvelle technique développée par des scientifiques pour contrôler le comportement erratique de la lumière

par Liam O'Connor
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chaotic light control

Une équipe de chercheurs a maîtrisé la manipulation des différentes fréquences de la lumière en utilisant une cavité construite sur mesure, ce qui pourrait potentiellement faire progresser les capacités de la fibre optique, ce qui pourrait améliorer la gestion de l'énergie, le calcul et la transmission du signal. Cette réalisation est reconnue par Xuefeng Jiang.

L’étude de la façon dont la lumière interagit dans un cadre ovale a offert aux scientifiques des informations clés sur sa dynamique complexe.

La capacité à gérer la lumière est cruciale pour le progrès dans plusieurs domaines technologiques, notamment la collecte d’énergie, les processus informatiques, les télécommunications et les diagnostics médicaux. Cependant, la nature complexe de la lumière rend souvent difficile sa régulation efficace.

Le physicien Andrea Alù compare l'imprévisibilité de la lumière dans les systèmes désordonnés à un jeu de billard, où même des changements mineurs dans la frappe de la bille blanche peuvent modifier considérablement la direction et les interactions des billes sur la table.

"Dans une partie de billard, de petites différences dans la façon dont vous frappez la balle initiale peuvent créer une grande variété de schémas de mouvement des balles sur la table", a expliqué Alù, professeur de physique réputé au CUNY Graduate Center. "De même, la lumière dans une cavité chaotique est difficile à prédire : mener la même expérience à plusieurs reprises dans des conditions presque identiques peut donner des résultats variables."

Dans un article récent publié dans Nature Physics, l'équipe d'Alù du CUNY Graduate Center a présenté une méthode pionnière pour moduler le comportement erratique de la lumière en personnalisant ses modèles de diffusion par la lumière elle-même. L'initiative a été lancée par Xuefeng Jiang, ancien chercheur postdoctoral dans le groupe d'Alù et maintenant professeur adjoint à l'Université Seton Hall, et Shixiong Yin, doctorant sous Alù.

Systèmes traditionnels contre cavités chaotiques

Les méthodes typiques d’analyse de la lumière impliquent des résonateurs de forme uniforme dans lesquels la lumière fait écho et se propage de manière prévisible, formant des fréquences et des modèles spatiaux distincts. Dans les résonateurs standards comme une cavité circulaire, des fréquences spécifiques sont en corrélation avec certains modes, simplifiant ainsi la physique impliquée. Cependant, selon Jiang, cette simplicité ne révèle pas les complexités de la lumière observées dans des systèmes plus complexes.

"Une cavité abritant des modèles de lumière chaotiques peut générer des milliers de configurations de lumière à partir d'une seule fréquence, ce qui était initialement considéré comme rendant le contrôle de la réponse optique peu pratique", a déclaré Jiang. « Pourtant, nous avons montré que gérer ce chaos est effectivement possible. »

La cavité révolutionnaire en forme de stade

Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont conçu une vaste cavité en forme de stade avec un sommet exposé et deux passages aux extrémités opposées pour canaliser la lumière dans la structure. Une caméra montée au plafond capture les motifs et l’intensité de la lumière lorsqu’elle s’échappe et se diffuse dans la cavité.

L'appareil est équipé d'éléments réglables pour affiner l'intensité et le timing de la lumière entrant par ces chemins. En manipulant l'interaction de la lumière dans la cavité, l'équipe a pu orchestrer le motif d'un faisceau lumineux en interagissant avec un autre, une stratégie appelée par Alù contrôle cohérent, qui consiste essentiellement à utiliser la lumière pour réguler la lumière. En modifiant l'intensité relative et le timing des faisceaux lumineux entrants, les chercheurs ont pu transformer de manière cohérente le modèle de lumière émise par la cavité.

Affiner le contrôle avec les modes de diffusion non réfléchissants (RSM)

Le contrôle a été rendu possible grâce à l'utilisation d'un comportement spécial de la lumière dans les cavités résonantes, connu sous le nom de « modes de diffusion non réfléchissants » (RSM), un phénomène prédit en théorie mais jusqu'à présent non démontré dans les cavités optiques. Yin a souligné que leur capacité à moduler les RSM représente un progrès dans la stimulation et la direction de systèmes optiques complexes, pertinents pour les processus de stockage d'énergie, d'informatique et de communication.

"Nous avons identifié certaines fréquences auxquelles notre système prend en charge deux RSM distincts et croisés qui permettent à toute la lumière d'être attirée dans la cavité du stade sans se refléter vers les canaux, facilitant ainsi sa gestion", a décrit Yin. "Étant donné que notre système traite les signaux optiques dans la plage opérationnelle des fibres optiques quotidiennes, cette découverte ouvre la porte à des méthodes améliorées de stockage, de direction et de contrôle de la lumière dans des systèmes optiques sophistiqués."

Pour l’avenir, les chercheurs prévoient d’intégrer des éléments plus ajustables dans leurs études afin d’explorer encore plus les comportements complexes de la lumière.

Citation : « Contrôle cohérent de la microcavité optique chaotique avec modes de diffusion sans réflexion » par Xuefeng Jiang, Shixiong Yin, Huanan Li, Jiamin Quan, Heedong Goh, Michele Cotrufo, Julius Kullig, Jan Wiersig et Andrea Alù, 2 novembre 2023, Nature Physics.
DOI : 10.1038/s41567-023-02242-w

Foire aux questions (FAQ) sur le contrôle de la lumière chaotique

Quelle est la découverte clé dans le contrôle du comportement chaotique de la lumière ?

Les chercheurs ont développé une plateforme qui permet de contrôler le comportement chaotique de la lumière en manipulant ses modèles de diffusion au sein d'une cavité optique spécialement conçue.

Comment le comportement de la lumière dans les systèmes chaotiques se compare-t-il à une partie de billard ?

Tout comme de légères variations dans un coup de billard peuvent conduire à des résultats différents, de petits changements dans l'entrée de la lumière dans une cavité chaotique peuvent entraîner des modèles de lumière imprévisibles et variables.

Quelle est l’importance de la cavité en forme de stade dans cette étude ?

La cavité en forme de stade permet aux scientifiques de contrôler la lumière en ajustant les modèles de diffusion grâce à un contrôle cohérent, en utilisant un faisceau de lumière pour en diriger un autre.

Que sont les modes de diffusion sans réflexion (RSM) et leur importance dans cette recherche ?

Les RSM représentent un comportement unique de la lumière dans les cavités résonantes qui permettent à la lumière de pénétrer dans une cavité sans être réfléchie, ce qui est crucial pour contrôler la lumière dans les systèmes optiques complexes.

Quel impact cette découverte pourrait-elle avoir sur les technologies futures ?

La capacité de contrôler le comportement chaotique de la lumière peut conduire à des progrès dans les domaines du stockage d’énergie, de l’informatique et du traitement du signal au sein des systèmes à fibre optique.

En savoir plus sur le contrôle de la lumière chaotique

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