La lumière (enfin) vue dans tous ses états

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87545_web.jpg Qu’est-ce que la lumière ? Une onde, selon certains. Une particule, selon d’autres. Le débat a fait rage pendant de nombreuses années jusqu’à ce que la science réconcilie les théories : la lumière est, en fait, à la fois une particule (le photon) et une onde (faites passer un faisceau de lumière au travers de deux fentes, et vous verrez les raies d’interférences caractéristiques d’une onde lumineuse). Ce que l’on nomme la dualité onde-particule est donc désormais bien comprise par les physiciens. Mais entre savoir et voir, il y a souvent un grand pas. Celui-ci vient d’être franchi grâce aux travaux d’une équipe internationale autour de scientifiques de l’école polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL, Suisse), qui vient de capturer pour la première fois une image de la lumière se manifestant simultanément sous forme d’onde et de particule. Jusqu’ici, on avait pu observer séparément les deux aspects de la lumière, photons et ondes. Mais l’exploit qui vient d’être réalisé par les chercheurs Suisses est d’avoir conçu une expérience permettant d’immortaliser sur image cette dualité. Mais comment réussir à photographier la lumière elle-même ? C’est là qu’intervient l’originalité de cette expérience, décrite sur le site de l’EPFL : “L’expérience se déroule de la manière suivante: une impulsion laser est envoyée sur un minuscule nano-fil métallique. Le laser ajoute de l’énergie aux particules chargées dans le nano-fil, ce qui les fait vibrer. La lumière voyage le long du minuscule fil dans deux directions possibles, comme des voitures sur une autoroute. Lorsque les ondes voyageant dans des directions opposées se rencontrent, elles forment une nouvelle onde, qui paraît rester immobile. Cette onde stationnaire devient une source de lumière et rayonne le long du fil.” “C’est ici qu’intervient l’astuce de l’expérience: les scientifiques envoient un flux d’électrons à proximité du nano-fil, en les utilisant pour photographier l’onde de lumière stationnaire. Lorsque les électrons interagissent avec la lumière confinée du nano-fil, certains accélèrent, d’autres ralentissent. En utilisant un microscope ultrarapide pour photographier l’endroit où ce changement de vitesse avait lieu, l’équipe de Carbone a pu alors visualiser l’onde stationnaire, qui signe la nature ondulatoire de la lumière.” “Mais tandis que ce phénomène montre la nature d’onde de la lumière, il démontre aussi, en même temps, sa nature de particule. En effet, lorsque les électrons passent à proximité de l’onde stationnaire, ils «frappent» les particules de lumière, les photons. Comme mentionné plus haut, ceci affecte leur vitesse, les faisant se déplacer plus vite ou plus lentement. Ce changement de vitesse apparaît comme un échange de «paquets» d’énergie (quanta) entre les électrons et les photons. L’existence même de ces paquets d’énergie montre que la lumière se comporte comme une particule.” Mais cette expérience va au-delà de la seule manifestation de la dualité onde-particule de la lumière : elle pourrait permettre des avancées technologiques pour les futurs ordinateurs quantiques. “L’expérience démontre pour la toute première fois que l’on peut filmer directement la mécanique quantique – et sa nature paradoxale”, explique Fabrizio Carbone, qui a dirigé l’étude. Pour lui, “être en mesure de photographier et de contrôler des phénomènes quantiques à l’échelle nanométrique ouvre de nouvelles perspectives vers l’informatique quantique.” Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue Nature Communications Crédit photo : La lumière “prise sur le vif”, avec la manifestation de ses particules (couche du bas) et d’ondes lumineuses (couche du haut). (Fabrizio Carbone/EPFL) Continue reading

La sélection scientifique de la semaine (numéro 160)

– Un tiers de la nourriture produite dans le monde ne serait pas consommée, un gâchis qui coûterait quelque 400 milliards de dollars par an. (en anglais) – Agroalimentaire encore, avec une bactérie responsable de gastro-entérites qui devient résistante aux antibiotiques utilisés pour … Continuer la lecture

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Le ronronnement du chat

Est-ce que tu t’es déjà demandé comment le chat ronronne et pourquoi ?  Que sait-on vraiment du ronronnement ? Il y a de grands amoureux des chats qui ont voulu répondre à ces questions et qui les ont étudiés sous tous les angles. Et voici quelques-unes de leurs conclusions. Le …
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La sélection scientifique de la semaine (numéro 159)

– Il y a 70 000 ans une petite étoile, l’étoile de Scholz, accompagnée par une géante rouge, a traversé les confins du système solaire, passant à moins d’une année-lumière de nos ancêtres préhistoriques. – Un nouveau mystère martien, celui … Continuer la lecture

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La sélection scientifique de la semaine (numéro 158)

- Le poignant combat d’une famille américaine contre une maladie génétique rare, l’insomnie fatale familiale, qui tue par manque de sommeil. (en anglais) – En France, l’hyperactivité reçoit une reconnaissance officielle. – Un petit miracle médical : une Américaine souffrant … Continuer la lecture

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