Une impression artistique d'une rue à anneaux vortex analogue à la structure du champ magnétique d'un NDSTP, où les anneaux vortex droit et gauche étaient mis en évidence respectivement en bleu et en rouge. Crédits : Yijie Shen, Nikitas Papasimakis et Nikolay I. Zheludev
La rue tourbillonnante de Kármán, un motif organisé de vortex tourbillonnants, démontre à la fois une beauté esthétique et un immense pouvoir, allant des peintures inspirantes de Bologne à l'influence de la conception de ponts tels que le pont étroit de Tacoma. Des études récentes ont exploré les analogues optiques du KVS, révélant des applications potentielles dans les interactions lumière-matière et les télécommunications.
La rue des vortex de Kármán (KVS) est un modèle d'écoulement classique très organisé comportant des vortex tourbillonnants. Il comprend généralement deux séquences de vortex, chacun émergeant de côtés opposés du corps, avec des circulations de signes opposés. Ce phénomène est réputé pour sa beauté esthétique et son immense puissance.
L'art inspire la science
Dans le musée de l'église Saint-Dominique de Bologne, en Italie, se trouve un tableau représentant Saint-Christophe transportant l'enfant Jésus à travers une rivière. Le peintre a représenté des tourbillons entrelacés derrière les pieds nus de Christophe. Theodore von Kármán a déclaré que ses recherches sur les rues vortex avaient été inspirées par ce tableau. Cela représente une intersection fascinante entre la science et les sciences humaines.
Impact historique des rues vortex
En 1940, un pont suspendu nommé Tacoma Narrow Bridge, achevé en seulement quatre mois, a subi des dommages dus à la génération de rues vortex causées par sa mauvaise conception, entraînant des vibrations et des résonances. Cet événement marquait la première fois que l’humanité reconnaissait l’immense pouvoir du KVS.
Récemment, dans Nature CommunicationsDes physiciens collaborateurs de Singapour et du Royaume-Uni ont présenté un analogue optique du KVS. Cette impulsion optique KVS révèle des parallèles fascinants entre le transport des fluides et le flux d'énergie de la lumière structurée.
Perspectives d'étude et applications futures
« Nous introduisons un type d’impulsion lumineuse dont la structure de champ présente une similitude intrigante avec une rue de vortex de von Kármán, un modèle de tourbillons observé dans la dynamique des fluides et des gaz qui est responsable du « chant » des lignes téléphoniques suspendues dans le vent. La lumière structurée présente une structure topologique robuste de skyrmions dans la matière condensée.
«Contrairement aux travaux antérieurs sur les faisceaux et impulsions skyrmioniques optiques, la configuration du champ skyrmionique dans les NDSTP n'est pas limitée par la diffraction et persiste lors de la propagation sur des distances arbitraires. Nous prévoyons que les NDSTP inspireront des applications potentielles telles que les interactions lumière-matière, la microscopie à superrésolution et la métrologie », a déclaré Yijie Shen, auteur principal de l'étude à l'Université technologique de Nanyang.
Les skyrmions, particules topologiques sophistiquées initialement proposées comme modèle unifié du nucléon par Tony Skyrme en 1962, se comportent comme échelle nanométrique des vortex magnétiques aux textures spectaculaires. À ce jour, tous les skyrmions optiques connus dans l’espace libre ne se propagent pas ou n’existent qu’autour du foyer et s’effondrent rapidement lors de la propagation.
Néanmoins, comme les impulsions lumineuses proposées dans cet article ne se propagent pas pendant la propagation, de telles structures de champ skyrmionique peuvent persister lors de la propagation des impulsions KVS. L'impulsion permet l'étude de la dynamique de propagation des champs électromagnétiques skyrmioniques et sera intéressante en tant que canal d'énergie dirigé pour les applications de transfert d'informations.
L'analogie entre le KVS dans les écoulements de fluides et l'impulsion peut être approfondie en considérant par exemple le mouvement des électrons le long des rues tourbillonnaires des impulsions magnétiques transversales ou la propagation des impulsions dans les milieux non linéaires.
Innovations technologiques potentielles
« Nous pensons que les singularités profondément sous-longueur d’onde de ces impulsions peuvent être appliquées en métrologie et qu’elles peuvent également intéresser ceux qui étudient la spectroscopie des excitations toroïdales dans la matière. De plus, les impulsions pourraient être exploitées pour le transfert d’informations à longue distance codées dans les caractéristiques topologiques des impulsions, avec des applications potentielles dans les télécommunications, la télédétection et le LiDAR », prévoient les auteurs.