Une Première Scientifique : Des Physiciens Captent la Lumière dans le 'Temps Imaginaire'
Pour la première fois, des chercheurs ont observé le comportement de la lumière lors d'un phénomène mystérieux appelé 'temps imaginaire'. Lorsque la lumière traverse presque n'importe quel matériau transparent, l'encombrement des champs électromagnétiques qui composent les allées et ruelles atomiques ajoute un temps significatif au trajet de chaque photon. Ce retard peut en dire beaucoup aux physiciens sur la façon dont la lumière se disperse, révélant des détails sur la matrice du matériau que les photons doivent traverser. Jusqu'à présent, une astuce théorique pour mesurer le parcours de la lumière – l'invocation du temps imaginaire – n'avait pas été pleinement comprise en termes pratiques.
Une expérience menée par les physiciens de l'Université du Maryland, Isabella Giovannelli et Steven Anlage, a révélé précisément ce que font les impulsions de rayonnement micro-ondes (un type de lumière hors du spectre visible) lorsqu'elles subissent un temps imaginaire dans un réseau de câbles circulaires. Leur travail démontre également comment les nombres imaginaires peuvent décrire un processus très réel et mesurable. Les nombres imaginaires sont des outils mathématiques pratiques pour résoudre des équations décrivant des phénomènes physiques. Aussi utiles soient-ils, ils sont aussi abstraits que la racine carrée d'un nombre négatif, sans équivalence pratique dans notre expérience quotidienne de la réalité.
Pour des impulsions d'ondes lumineuses traversant un morceau de matière, les nombres imaginaires ont aidé à résoudre les retards de transmission, mais les comportements exacts responsables de leur rôle n'avaient jamais été systématiquement examinés dans des expériences. Techniquement, les photons individuels ne peuvent se déplacer qu'à une vitesse unique et constante. Cependant, les interactions avec les champs électromagnétiques environnants peuvent retarder le trajet global d'une onde de manière complexe. Dans le contexte des impulsions lumineuses, les actions des collections d'ondes peuvent être accélérées ou ralenties de manière similaire. Cela signifie qu'une impulsion d'ondes lumineuses peut être négative, se déplaçant techniquement plus vite que ses photons individuels.
Les valeurs positives et négatives – réelles et imaginaires – peuvent peindre un tableau des conditions de trafic photonique constituant un matériau. L'appareil expérimental consistait en une paire de câbles coaxiaux connectés en cercle, représentant un réseau simple et bien compris de chemins pour les impulsions de lumière micro-ondes. Ils ont également utilisé des oscilloscopes de pointe capables de détecter des changements de fréquence incroyablement petits. En manipulant les impulsions et en mesurant les effets, Giovannelli et Anlage ont pu démêler exactement comment les motifs d'ondes dans chaque impulsion changent par rapport aux valeurs prédites par les composantes réelles et imaginaires de leurs équations.
'C'est un peu comme un degré de liberté caché que les gens ont ignoré', a expliqué Anlage à Karmela Padavic-Callaghan de New Scientist. 'Je pense que ce que nous avons fait, c'est de le faire ressortir et de lui donner un sens physique.' Les nombres imaginaires ne décrivaient pas un rêve micro-ondes bizarre, mais plutôt un petit changement dans la fréquence de l'onde porteuse lorsqu'elle traverse un matériau grâce à la façon dont l'impulsion transmise est absorbée. Là où ce chiffre était auparavant ignoré comme, eh bien, imaginaire, il peut maintenant être connecté aux opérations physiques qui permettent aux impulsions d'ondes lumineuses de se déplacer plus vite que les photons mêmes qui les composent. Imaginez cela. Cette recherche a été acceptée pour publication par Physical Review Letters.
