En 1801, le scientifique britannique Thomas Young a réalisé une expérience de « double fente » qui est entrée dans l’histoire de la physique : en faisant passer la lumière à travers deux fentes dans un matériau, il a montré que la lumière se comportait comme une onde, empruntant différents chemins simultanément pour interférer dans manières prévisibles une fois qu’ils se recombinent.
Depuis ce moment pionnier, l’expérience a été répétée pour démontrer que le rayonnement électromagnétique affiche des comportements à la fois ondulatoires et particulaires. En d’autres termes, la lumière peut agir comme des billes roulant sur une pente et comme des ondulations dans un étang, selon la façon dont elles sont mesurées.
Ce ne sont pas seulement les photons qui agissent de cette façon non plus. Les scientifiques ont utilisé des configurations similaires pour montrer que les électrons, les neutrons et les atomes entiers se comportent de la même manière, établissant un principe fondamental de la physique quantique en tant que théorie basée sur la probabilité.
Maintenant, les scientifiques ont recréé l’expérience de Young avec une touche moderne. Au lieu d’une paire de fentes séparées dans l’espace, ils ont utilisé des «fentes temporelles» créées par des ajustements rapides de la réflectivité d’un matériau, testant la capacité d’une onde de lumière à interférer avec son propre passé et son futur.
“Notre expérience en révèle davantage sur la nature fondamentale de la lumière tout en servant de tremplin pour créer les matériaux ultimes capables de contrôler minutieusement la lumière dans l’espace et dans le temps”, déclare le physicien Riccardo Sapienza de l’Imperial College de Londres au Royaume-Uni.
Sapienza et ses collègues ont utilisé une fine couche d’oxyde d’indium et d’étain, un matériau utilisé dans les écrans des smartphones. Les impulsions laser ont modifié sa réflectivité pour créer deux périodes distinctes où la lumière peut être mesurée frappant le matériau, fournissant des chemins distincts dans le temps où une seule onde de lumière peut interférer avec elle-même.
Ces différences de temps ont modifié la fréquence de la lumière lorsqu’elle a frappé le matériau, les interférences entre les différentes ondes produisant des couleurs distinctes plutôt que des différences de luminosité. Les scientifiques ont étudié ce modèle d’interférence pour faire des observations sur le comportement ondulatoire de la lumière.
Le montage expérimental. (Thomas Angus/Imperial College de Londres)
“L’expérience des doubles fentes temporelles ouvre la porte à une toute nouvelle spectroscopie capable de résoudre la structure temporelle d’une impulsion lumineuse”, déclare le physicien John Pendry de l’Imperial College de Londres.
Fait intéressant, les fentes se sont ouvertes beaucoup plus rapidement que prévu par les scientifiques – entre 1 et 10 femtosecondes (quadrillionièmes de seconde). Le fait que l’expérience dépasse la modélisation théorique suggère qu’une partie de cette modélisation doit être repensée : les matériaux n’interagissent pas nécessairement avec la lumière exactement comme les scientifiques le pensaient (lorsque l’intensité ou la vitesse change, par exemple).
Avoir un matériau comme celui-ci, qui peut changer la façon dont il réagit à la lumière dans des délais absolument infimes, pourrait être utile pour développer de nouvelles technologies et approfondir les mystères de la physique quantique.
Il sera également utile aux plus grandes échelles, dans l’étude de phénomènes tels que les trous noirs. Ensuite, l’équipe veut essayer sa « torsion temporelle » sur un autre matériau, le cristal atomique, où les atomes suivent un schéma strict, ce qui pourrait conduire à des améliorations rapides en électronique.
“Le concept de cristaux temporels a le potentiel de conduire à des commutateurs optiques ultrarapides et parallélisés”, déclare le physicien Stefan Maier de l’Imperial College de Londres.
La recherche a été publiée dans Nature Physics.
