C’est une question qui, j’en suis sûr, vous a empêché de dormir la nuit : pouvez-vous faire tourner un objet avec une onde sonore ? La réponse, en général, était non. Maintenant, cependant, les ingénieurs en mécanique ont jeté un coup d’œil à ce que leurs collègues qui jouent avec les lasers peuvent faire, et après avoir vu la lumière, ils l’ont copiée. Et avec cela, faire tourner des objets avec des ondes sonores a été réalisé… mais uniquement dans des simulations.

Est-ce vraiment si difficile de faire tourner les choses ?

Pour avoir une idée de la difficulté de faire tourner des choses avec des ondes sonores, imaginez un tube qui contient une turbine. Normalement, pour faire tourner la turbine, un fluide s’écoule devant les pales de la turbine. La force du fluide sur les aubes donne un couple qui fait tourner la turbine. Si nous remplaçons ce flux par une onde de pression (comme une onde sonore), le fluide va et vient. Ainsi, le mouvement local transmettra d’abord un couple dans le sens des aiguilles d’une montre, puis dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Le résultat est un mouvement de bascule.

Plus fondamentalement, l’onde porte un moment linéaire mais pas un moment cinétique (plus précisément, c’est un moment cinétique orbital, mais nous laisserons tomber « l’orbitale »). Quelque chose qui tourne a un moment cinétique. Dans l’exemple de la turbine, le moment cinétique total ne peut pas changer. Si l’onde n’a pas de moment cinétique et que la turbine n’a pas de moment cinétique, rien ne changera.

(Le fluide qui coule n’a pas non plus de moment cinétique, mais il peut faire tourner la turbine. Cela fonctionne parce que le fluide forme des tourbillons après avoir traversé la turbine. Les tourbillons transportent un moment cinétique avec le spin opposé à la turbine de sorte que le le moment cinétique total reste nul.)

Tout cela est un terrain bien battu. Mais jusqu’à récemment, personne n’était sûr que les ondes sonores pouvaient transporter ce type de moment cinétique. Même en supposant qu’ils le pouvaient, nous ne savions pas comment générer une onde sonore avec un moment cinétique. La première étape des chercheurs a donc été de montrer que les ondes sonores pouvaient transporter un moment cinétique. Après avoir fait cela (le gros du travail de réflexion), il était temps de comprendre comment générer les ondes.

Tout d’abord, donnez le vertige à un phonon…

L’astuce consiste à faire tourner des ondes mécaniques. Pour visualiser cette idée, vous devez comprendre l’idée d’un front d’onde. Par exemple, prenons une onde sonore se déplaçant dans l’air. Une onde sonore se compose de régions à haute et basse pression qui se déplacent dans l’espace. Si nous pouvions figer le temps, nous pourrions regarder l’onde sonore gelée et tracer une ligne là où la pression est la plus élevée. Cette ligne (qui est généralement une courbe) est perpendiculaire à la direction dans laquelle l’onde se déplace. Si nous dégelons le temps un instant puis le recongelons, nous constaterons que la ligne a avancé à la vitesse du son vers une nouvelle position.

Notre image des fronts d’onde peut être étendue à trois dimensions. Ici, la ligne de haute pression devient un plan de haute pression qui avance dans l’espace à la vitesse du son.

Ce front d’onde décrit l’élan et le moment cinétique de l’onde. Pour une onde avec moment cinétique, le front d’onde n’est plus une ligne (ou un plan). Au lieu de cela, la surface est une hélice (comme une vis d’Archimède). L’onde se déplace toujours perpendiculairement à la surface du front d’onde, mais c’est maintenant une spirale qui tourne autour d’un axe central. Si vous deviez prendre un seul morceau de front d’onde et le suivre, vous constateriez qu’il tourne en tire-bouchon le long de cet axe.

Que se passe-t-il au centre du tire-bouchon ? À cet endroit, le front d’onde n’a pas de valeur unique. Le centre doit être un lieu de haute et basse pression simultanément. L’Univers n’aime pas la contradiction, il prend donc la moyenne et l’onde sonore au centre n’a pas d’amplitude.