Les nœuds sont généralement considérés comme en raison de rebondissements de matériaux longs et flexibles qui gardent des chaussures sur vos pieds ou frustrent vos tentatives de suspension des décorations de vacances. Un faisceau de lumière ne ressemble pas à un matériau qui peut créer un nœud.
Mais c'est.
Imaginez jeter plusieurs rochers dans un étang à la fois. À un certain point à la surface de l'eau, les anneaux d'ondulation résultants se mélangeraient tous pour former un motif complexe. Imaginez maintenant pouvoir contrôler la forme et la vitesse de chaque anneau. Avec suffisamment de planification, vous pouvez obtenir ce point de maillage pour former des formes complexes en 3D à la demande.
Au cours des dernières années, les chercheurs ont essentiellement fait cela avec la lumière. En chevauchant plusieurs faisceaux laser avec des propriétés spécifiques et en les dirigeant à travers une série de lentilles, les modèles d'interférence peuvent former un « nœud optique » stationnaire qui ressemble à quelque chose comme un réseau complexe d'anneaux de fumée à un point souhaité dans l'espace.
Maintenant, les ingénieurs de l'Université Duke ont démontré une sorte de bande holographique qui divise un seul faisceau laser en cinq poutres sur mesure qui créent un nœud optique. Publié dans une série d'articles dans Communications de la nature et Recherche photoniquele travail montre que les nœuds optiques pourraient être utilisés comme méthode fiable pour transmettre des informations codées ou pour mesurer la turbulence dans les poches d'air.
L'équipe a pu montrer que des informations intégrées dans ces nœuds optiques peuvent survivre aux lasers constitutifs voyageant dans l'air turbulent – mais pas aussi facilement que les scientifiques le croyaient à l'origine.
« Les gens pensaient que parce que ces formes sont des objets mathématiquement stables, ils devraient pouvoir être transmis dans des environnements complexes sans aucune complication », a déclaré Natalia Litchinitser, professeur de génie électrique et informatique chez Duke. « En fait, ils ne sont pas garantis pour être stables, mais nous pouvons les rendre plus stables. »
Pour produire ce résultat, les chercheurs devaient essentiellement utiliser un petit four à convection. Bien qu'il soit possible de simuler un laser voyageant à travers des turbulences avec l'utilisation de dispositifs à fibre optique, l'équipe a voulu reproduire la vraie chose sur une longue distance. Mais alors que leurs collaborateurs en Afrique du Sud ont une installation couvrant deux bâtiments distincts, l'équipe Duke a été reléguée à une seule table de la taille d'une salle à manger.
« Nous avons utilisé un petit dispositif de taille grille-grille avec une plaque chauffante en bas et des ventilateurs pour créer des turbulences aériennes », a expliqué Danilo Gomes Pires, un scientifique postdoctoral travaillant dans le laboratoire de Litchinitser. « Ensuite, nous avons rétréci le faisceau lumineux et l'avons rebondi sur plusieurs miroirs pour l'imiter en voyageant près de 1 000 pieds. »
Si les faisceaux laser n'étaient pas perturbés par leur voyage, le nœud résultant aurait dû ressembler à une ficelle continue et fluide avec trois boucles. Mais au lieu de cela, les chercheurs ont constaté que, comme la turbulence devenait plus intense, le nœud était plus susceptible de se transformer en deux anneaux interconnectés ou même un seul anneau, perdant l'une des informations qu'il contenait.
Mais ils ont également découvert que cette dégradation n'était pas inévitable et qu'ils pouvaient rendre le nœud stable plus longtemps. En ajoutant plus de bouchons à ses caractéristiques autrement lisses – comme construire une torsion et un toboggan de tournage compliqués au lieu d'une simple conduite enroulée – ils ont créé plus de points de référence pour mesurer dans un avion donné. (image à la fin pour aider à illustrer)
Bien que les nœuds optiques ne soient toujours pas une technologie à ses balbutiements – ils n'ont été découverts qu'il y a environ deux décennies – il a plusieurs applications potentielles. Les informations pourraient être codées dans leurs formes et transmises sur de longues distances.
Mesurer combien le nœud est perturbé par ses voyages pourrait également conduire à des moyens de mesurer la quantité de turbulence qu'elle a traversée. Les chercheurs croient également que les subtilités des nœuds résultantes pourraient être utilisées pour piéger et manipuler de minuscules particules dans l'espace 3D.
« Avant de pouvoir réellement utiliser des nœuds optiques pour tout type d'application, nous devons vraiment les étudier et comprendre comment ils se comportent », a déclaré Litchinitser. « La nôtre est la première démonstration de la propagation à travers de vraies turbulences, donc à partir d'ici, nous pouvons passer à l'étape suivante et l'étendre pour continuer à explorer comment celles-ci fonctionnent dans l'espace libre. »
