Des scientifiques ont plié des faisceaux laser pour créer cette image détaillée d’un chat

Chaque propriétaire de chat sait à quel point ses compagnons félins prennent plaisir à chasser un minuscule point de lumière à partir d’un simple pointeur laser. Maintenant, des physiciens brésiliens ont découvert comment piéger et plier la lumière laser en formes complexes, produisant l’impressionnante image photoréaliste d’un chat illustré ci-dessus. Parmi d’autres applications potentielles, leur méthode – décrite dans un article récent publié sur la physique arXiv – pourrait s’avérer utile pour construire de meilleurs pièges optiques afin de créer des nuages ​​d’atomes ultra-froids pour une variété d’expériences quantiques.

Selon les co-auteurs Pedro Silva et Sergio Muniz de l’Université de Sao Paulo, la capacité de produire et de contrôler précisément la forme des faisceaux laser avec une grande fidélité est vitale pour de nombreux segments de la recherche et de l’industrie. Ils regroupent la plupart des approches d’ingénierie de front d’onde en deux catégories de base.

Le premier comprend des approches telles que les micro-miroirs numériques (DMD) et les modulateurs optiques acoustiques (AOM), qui sont faciles à mettre en œuvre et offrent une réponse rapide pour un contrôle de rétroaction en temps quasi réel. Mais ils ont une capacité limitée à contrôler la phase du champ lumineux et ne peuvent pas créer certains types de lumière structurée. Ils sont également sujets au chatoiement, à la diffraction ou à d’autres distorsions.

Schéma du montage expérimental.

Le deuxième groupe comprend l’holographie et diverses méthodes à commande de phase, qui peuvent créer des faisceaux lumineux et vectoriels structurés en phase. Le compromis est des vitesses de contrôle plus lentes et un manque de rétroaction en temps réel. Silva et Muniz voulaient proposer une approche à contrôle de phase qui implémentait certaines des fonctionnalités souhaitables des DMD et des AOM, notamment le mappage pixel à pixel, l’encodage simple des motifs lumineux, une rétroaction plus rapide et un contrôle plus précis.

Essentiellement, ils ont amélioré une méthode antérieure proposée en 2007 pour obtenir des résultats plus nets et plus fluides. Ils ont polarisé une diode laser pour correspondre à l’orientation d’un cristal liquide servant de modulateur spatial de lumière. Ils pourraient organiser les cristaux avec des champs électromagnétiques pour créer une série de prismes. La programmation du modulateur a permis à Silva et Muniz d’utiliser ces prismes pour créer plusieurs formes géométriques arbitraires et l’image entièrement détaillée d’un chat.

Formes géométriques arbitraires générées à l'aide de la méthode.

« Nous montrons des résultats expérimentaux démontrant que non seulement des formes géométriques simples et plates peuvent être créées à l’aide de la méthode décrite, mais également des images complexes et riches en fonctionnalités avec des distributions d’intensité détaillées », ont écrit les auteurs. Et leur méthode pourrait être appliquée pour façonner des faisceaux de lasers pulsés plus puissants ou même de lasers ultra-rapides.

Les applications utiles incluent la structuration optique et la lithographie, ainsi que le piégeage optique d’atomes ultra froids pour créer des systèmes tels que les condensats de Bose-Einstein (BEC), qui sont idéaux pour simuler des effets quantiques. Par exemple, un BEC peut « amplifier » les atomes de la même manière que les lasers amplifient les photons, permettant aux scientifiques d’étudier le petit monde étrange de la physique quantique comme s’ils le regardaient à travers une loupe. Les physiciens ont même réussi à nouer des « nœuds quantiques » dans les BEC et à filmer la façon dont les nœuds se désintègrent ou se « détachent » assez peu de temps après leur formation avant de se transformer en vortex.

Mais ce sont des systèmes quantiques fragiles et doivent être manipulés avec précaution. Un piège optique doit donc être très lisse et précis car toute imperfection ferait sortir les atomes de leur état quantique.

« Honnêtement, je n’ai pas de bonnes idées de choses que vous pourriez faire avec des atomes ultra-froids ou quoi que ce soit en utilisant une image de chat, mais c’est une sorte de proxy pour montrer que vous pouvez faire des traits très fins et précis », Muniz dit New Scientist. « Nous pouvons créer ces belles images de chats, mais nous pouvons également utiliser ce système pour faire des simulations quantiques d’électrons et de supraconductivité. [using trapped ultra-cold atoms].”

DOI : arXiv, 2022. 10.48550/arXiv.2204.09724 (À propos des DOI).

Image de l’annonce par PF Silva & SR Muniz, 2022

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