Expérience de la double fente : les ondes lumineuses s'écrasent à travers les fentes temporelles

Nombreux sont ceux qui se souviennent de l'expérience réalisée en cours de physique : lorsque la lumière rencontre deux fentes étroites et parallèles, elle se diffracte et crée un motif d'interférence composé de bandes sombres et lumineuses sur un écran d'observation placé derrière elle. L'expérience des doubles fentes a été réalisée pour la première fois en 1802 par Thomas Young et a été considérée comme la preuve que la lumière se comporte comme une onde. Plus tard, elle a été répétée avec des électrons, des atomes et même des molécules entières, démontrant ainsi que les particules peuvent également se comporter comme des ondes. La dualité onde-particule des objets quantiques est l'une des affirmations clés de la mécanique quantique.

Des physiciens de l'Imperial College London ont maintenant reproduit la fameuse expérience et montré qu'un effet d'interférence similaire peut se produire si la lumière est dirigée à travers des fentes séparées dans le temps plutôt que dans l'espace : Une sorte de miroir, qui peut être allumé et éteint extrêmement rapidement, provoque des interférences dans une impulsion laser, tout comme une double fente, mais celle-ci change de couleur. L'équipe décrit ses résultats dans la revue scientifique "Nature Physics".

L'équipe de Romain Tirole a utilisé un laser infrarouge pour bombarder une fine couche d'oxyde d'indium et d'étain, un matériau semi-conducteur également utilisé pour les écrans de smartphones. Dans des conditions normales, il est transparent à la lumière infrarouge, ce qui signifie que les rayons lumineux le traversent sans obstacle. Les physiciens ont cependant utilisé un second laser qui a modifié les propriétés optiques du semi-conducteur pendant de courts instants : la lumière qui arrive pendant ce temps est réfléchie. Lorsqu'ils ont tiré deux impulsions ultracourtes avec le second laser à quelques dizaines de femtosecondes d'intervalle - allumant ainsi le miroir deux fois de suite brièvement -, ils ont pu constater que la forme d'onde de la lumière laser réfléchie, et donc sa couleur, changeait. Ils avaient fait passer la lumière par des "fentes temporelles".

Dans la version classique de l'expérience des doubles fentes, deux phénomènes physiques se produisent : La diffraction et l'interférence. Le premier est causé par le fait que la lumière passe à travers une fente extrêmement étroite - ce qui fixe la position des particules de lumière, qui sont des objets quantiques. Le principe d'incertitude d'Heisenberg exige que la direction du mouvement ne puisse pas être prédite avec précision : l'onde lumineuse se déploie donc en éventail derrière la fente. La même chose se produit sur la fente adjacente, de sorte que les deux ondes interfèrent derrière la double fente. Comme les vagues à la surface de l'eau, les mouvements s'amplifient et s'atténuent, les minimums et les maximums du motif d'interférence se répartissant finalement sur l'écran à un angle donné par rapport à la source lumineuse.

La diffraction sur la "tranche de temps" modifie la fréquence de la lumière

La diffraction et l'interférence se produisent également à travers les fentes temporelles de la nouvelle expérience - mais elles se manifestent de manière légèrement différente. Là encore, une version de l'incertitude d'Heisenberg s'applique : si l'on limite de manière extrêmement étroite une composante temporelle d'un système - comme le font les fentes temporelles - son énergie devient d'autant plus imprécise. L'énergie d'une onde lumineuse dépend de sa fréquence : Ainsi, la "diffraction" sur l'intervalle de temps modifie la fréquence de la lumière. Comme il s'agit d'un double intervalle de temps, l'onde lumineuse peut interférer avec une seconde, ce qui crée à nouveau une figure d'interférence, mais dans le spectre des fréquences. Certaines couleurs s'amplifient, d'autres s'annulent.

Riccardo Sapienza, responsable de l'expérience et professeur de physique à l'Imperial College, a déclaré, selon un communiqué de l'université : "Notre expérience fournit des informations sur la nature fondamentale de la lumière et sert également de point de départ pour le développement de nouveaux matériaux capables de contrôler précisément la lumière dans l'espace et le temps". Le résultat le plus impressionnant et le plus surprenant a également été que le motif d'interférence présentait plus de lignes qu'ils ne l'avaient prévu sur la base des connaissances théoriques actuelles. Le matériau utilisé aurait donc changé de propriétés optiques beaucoup plus rapidement qu'on ne le pensait auparavant - en seulement un milliardième de seconde.

L'équipe va ensuite étudier le phénomène dans un cristal temporel. Il s'agit d'un système quantique dans lequel les propriétés optiques varient dans le temps au lieu de varier dans l'espace comme dans un cristal conventionnel.

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