Il y a depuis longtemps un mystère lors du calcul de la façon dont une onde lumineuse entrante se disperse un objet et devient une onde lumineuse modifiée et sortante. En particulier, le délai de la transition de l'un à l'autre est un nombre complexe, un nombre réel régulier mais avec une partie imaginaire non nulle.
La partie imaginaire du nombre complexe est un nombre réel régulier fois la racine carrée de -1, désignée par « i ». Les physiciens ont découvert que la première partie, le nombre réel régulier (généralement une fonction mathématique de l'énergie, ou de la fréquence), est bien prédite, mais ils ont été tellement perplexes par la partie imaginaire, et un peu gênée, qu'ils l'ont jugée « non physique » et l'ont ignoré.
Mais maintenant, une paire de physiciens de l'Université du Maryland aux États-Unis a montré que la partie complexe a en effet une signification, liée au décalage de fréquence de la transition de la vague entrante à des vagues sortantes. Leur travail a été publié dans Lettres d'examen physique.
La fonction mathématique qui décrit la transition linéaire d'une fonction d'onde à l'autre est appelée la matrice de diffusion ou la matrice S. La matrice de diffusion, un réseau carré avec autant de lignes et de colonnes que le nombre de canaux de la vague entrante, contient en principe tout ce qu'il y a à savoir, à diffusion, sur le système faisant la diffusion, qui peut être du verre tel qu'une fenêtre ou une lentille givrée, de l'eau, un câble fibre optique, des noyaux atomiques, des atomes, des molécules et de nombreux systèmes quantiques à la bosse.
À l'intérieur du système, la vitesse de l'onde légère change généralement; Un tel système est appelé un «support dispersif». En particulier, la matrice de diffusion pour un milieu dispersive peut fournir le délai de la transition de l'onde de la transmission à la sortie et du long de la vague dans le système.
Le retard, à son tour, fournit aux scientifiques, aux ingénieurs et aux techniciens avec des paramètres tels que l'évolution de phase des ondes quantiques, le retard d'un groupe d'ondes dans un câble à fibre optique et le retard de groupe dans les guides d'ondes, entre autres quantités.
Mais que faire des parties imaginaires de la matrice de diffusion? Dans un article de 2016 dans Communications de la nature Par l'auteur principal M. Asano du Japon, un groupe de scientifiques de plusieurs pays du monde entier a reconnu que pour les impulsions légères qui répondent à certaines exigences, la partie imaginaire de la matrice de diffusion – plus précisément, le nombre réel avant « I », la racine carrée de -1 – a représenté le « décalage de fréquence » de l'onde de transition due à son passage à travers le système de diffusion. En particulier, il représente le décalage de la fréquence au centre de l'impulsion (en forme de courbe de cloche, une distribution gaussienne) de l'impulsion lumineuse entrante.
Les exigences sont simples et non rares. La bande passante de fréquence, ou plage de fréquences dans l'impulsion, doit être petite et le système de diffusion doit être linéaire et dispersif – c'est-à-dire que les canaux d'onde sortants sont une somme linéaire des canaux d'onde entrants, proportionnels à chacun – et les propriétés du système de diffusion dépendent des composants de fréquence de l'onde entrante. (Il est équivalent lors de la discussion des effets du système de diffusion en termes de longueurs d'onde ou d'énergies.)
Les co-auteurs de l'article actuel dans Lettres d'examen physiqueIsabella L. Giovannelli et Steven M. Anlage du Maryland Quantum Materials Center de l'Université du Maryland ont décidé de vérifier cette prédiction théorique.
Pour leurs expériences, ils ont utilisé un graphique de bague micro-ondes à deux ports comme système de diffusion. Ce dispositif est un résonateur, un guide d'onde à boucle fermée dans lequel les ondes électromagnétiques circulent (les micro-ondes) et forment des motifs d'onde debout où la circonférence de l'anneau est un nombre entier de longueurs d'onde.
Les graphiques anneaux sont souvent utilisés comme filtres ou commutateurs. L'anneau réel était composé de deux câbles coaxiaux de longueurs différentes, de 28 cm et 31 cm de long et de deux jonctions en T.
Les impulsions micro-ondes envoyées à travers le graphique de la bague avaient une fréquence centrale de 5 gigahertz (un four à micro-ondes standard utilise des micro-ondes de 2,45 GHz), avec une bande passante étroite de seulement 5 mégahertz (0,005 GHz).
Les expérimentateurs ont choisi une configuration de domaine fréquentiel pour leurs mesures, ce qui signifie que les impulsions lumineuses ont été analysées en fonctions de fréquence – une grande partie de chaque fréquence est présente. L'alternative est une configuration de domaine temporel, où les signaux sont analysés en fonction du temps – comment l'amplitude du signal change avec le temps. La configuration du domaine de fréquence utilise l'électronique qui applique des transformations mathématiques pour montrer l'amplitude et la phase en fonctions de fréquence.
De cette façon, la paire a envoyé les micro-ondes à 5 GHz à travers le résonateur et a mesuré le délai de l'impulsion d'onde à être de -7,95 nanosecondes (NS), et un décalage de fréquence du centre de la courbe de cloche de l'impulsion de 0,48 mégahertz.
La prédiction du délai imaginaire, ou décalage de fréquence, est de 3,03 radians par microseconde, soit 0,482 million de cycles par seconde ou 0,482 MHz. Le décalage de fréquence mesuré est qu'ils écrivent, « en excellent accord avec les prédictions d'Asano et al ».
Avec la théorie confirmée, « nous pouvons maintenant faire des prédictions pour les retards de réflexion, ainsi que la différence de retard de réflexion », concluent-ils, entre autres différences de retard dans les systèmes plus compliqués.
Écrit pour vous par notre auteur David Appell, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
