La méthode du ressort optique améliorée par Kerr améliore la détection des ondes gravitationnelles, offrant de nouvelles informations sur les phénomènes cosmiques et les structures des étoiles à neutrons. Crédit : Issues.fr.com
Le développement par Tokyo Tech de ressorts optiques améliorés par Kerr augmente considérablement la sensibilité des détecteurs d'ondes gravitationnelles, permettant une meilleure détection des événements cosmiques et faisant progresser notre compréhension de l'univers.
La détection de ondes gravitationnelles constitue l’une des réalisations les plus significatives de la physique moderne. En 2017, des ondes gravitationnelles issues de la fusion d'un système binaire étoile à neutrons ont été détectés pour la première fois et ont révélé des informations cruciales sur notre univers, depuis l'origine de courts sursauts gamma jusqu'à la formation d'éléments lourds.
Cependant, la détection des ondes gravitationnelles émergeant des restes post-fusion reste difficile à détecter en raison de leur gamme de fréquences située en dehors de la portée des détecteurs d’ondes gravitationnelles (GWD) modernes. Ces ondes insaisissables contiennent des informations importantes sur la structure interne des étoiles à neutrons, et comme ces ondes peuvent être observées une fois toutes les quelques décennies par les GWD modernes, il existe un besoin urgent de GWD de nouvelle génération.
Le ressort optique amélioré par Kerr démontre une non-linéarité accordable, présentant des applications potentielles pour améliorer la sensibilité GWD et dans divers systèmes optomécaniques. Crédit : Tokyo Tech
Améliorer la sensibilité GWD avec des ressorts optiques
Une façon d’améliorer la sensibilité des GWD consiste à amplifier le signal à l’aide d’un ressort optique. Les ressorts optiques, contrairement à leurs homologues mécaniques, exploitent la force de pression de rayonnement de la lumière pour imiter le comportement d'un ressort. La rigidité des ressorts optiques, comme dans les GWD, est déterminée par la puissance lumineuse à l'intérieur de la cavité optique. Ainsi, l'amélioration de la fréquence de résonance des ressorts optiques nécessite d'augmenter la puissance lumineuse intracavité, ce qui peut toutefois entraîner des effets thermiquement nocifs et empêcher le détecteur de fonctionner correctement.
Pour résoudre ce problème, une équipe de chercheurs japonais, dirigée par le professeur agrégé Kentaro Somiya et le Dr Sotatsu Otabe du département de physique de Tokyo Tech, a développé une solution révolutionnaire : le ressort optique amélioré par Kerr.
« L’amplification du signal intracavité est une méthode prometteuse pour améliorer l’impact des ressorts optiques sans augmenter la puissance intracavité. Cette technique améliore le rapport d'amplification du signal de la cavité en utilisant des effets optiques non linéaires et améliore la constante de ressort optique. Nos recherches ont révélé que l’effet Kerr optique constitue une approche prometteuse pour utiliser avec succès cette technique », explique le professeur Somiya.
Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Lettres d'examen physique. De plus, cette lettre a été sélectionnée comme suggestion de la rédaction, une reconnaissance hebdomadaire visant à promouvoir l'engagement interdisciplinaire.
Approche innovante et ses implications
Cette conception révolutionnaire consiste à générer un effet d’amplification du signal intracavité dans une cavité optomécanique de type Fabry-Pérot en insérant un milieu Kerr. Le milieu Kerr induit un effet optique Kerr dans la cavité, dans lequel un champ optique modifie l'indice de réfraction du milieu. Cela introduit un gradient drastique de la force de pression de rayonnement dans la cavité, améliorant ainsi la constante du ressort optique sans augmenter la puissance intracavité.
Les expériences ont révélé que l’effet optique Kerr améliore avec succès la constante du ressort optique d’un facteur 1,6. La fréquence de résonance du ressort optique a été augmentée de 53 Hz à 67 Hz. Les chercheurs prévoient un taux d’amplification du signal encore plus élevé grâce à l’affinement des problèmes techniques.
« La conception proposée est facile à mettre en œuvre et fournit un nouveau paramètre réglable pour les systèmes optomécaniques. Nous pensons que la technique démontrée jouera un rôle clé non seulement dans les GWD mais également dans d’autres systèmes optomécaniques, comme le refroidissement des oscillateurs macroscopiques jusqu’à leur état fondamental quantique », explique le Dr Otabe, soulignant l’importance de cette étude.
Dans l’ensemble, cette nouvelle conception de ressort optique représente une avancée significative vers l’exploitation de tout le potentiel des systèmes optomécaniques ainsi que des GWD améliorés capables de percer les mystères de notre univers.
