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Des lasers couplés pour mieux comprendre l'Univers à ses débuts…

Depuis le Big Bang, il y a 13,7 milliards d'années, notre univers est passé d'un état très chaud, dense et désordonné, à l' état que nous connaissons aujourd'hui, beaucoup plus froid et ordonné. Dans les années 70, le physicien anglais Tom Kibble a suggéré que, lors de son refroidissement, l’Univers s’est organisé en patchs indépendants.

Selon cette théorie, chaque patch d’univers aurait évolué indépendamment de ses voisins, en développant des structures uniques. Chacun de ces patchs aurait ensuite grandi puis touché ses voisins, ce qui aurait créé des frontières structurelles visibles dans l’Univers d’aujourd’hui. Ces domaines, nommés « défauts topologiques », sont souvent présents sous deux formes : vortex et anti-vortex.

La théorie de Tom Kibble prédit et explique la formation de ces défauts durant le processus de refroidissement et, plus particulièrement, comment leur formation dépend de la vitesse à laquelle l’Univers s’est refroidi.  Reste que cette théorie était jusqu’à présent invérifiable, car cela nécessiterait des temps d’observation de plusieurs milliers d'années. Mais à la fin du siècle dernier, un autre physicien, Wojciech Zurek, a prédit l’observation de la théorie de Kibble comme étant possible en laboratoire, en étudiant le comportement de refroidissement de superfluides par exemple.

En utilisant les lasers couplés comme support d’études, un groupe de l’Institut Weizmann a démontré qu’il était possible d’observer et d’étudier le mécanisme de Kibble-Zurek. Ceux-ci ont utilisé un ensemble d’une dizaine de lasers indépendants qu’ils ont ensuite couplés, de sorte que, pour assurer la survie du groupe de lasers, ceux-ci soient forcés de se coordonner.

On dit alors que les lasers sont « en phase ». Tout comme notre Univers après le Big Bang, les lasers partent donc d’un état désordonné et évoluent vers un état ordonné. Cependant, durant le processus de synchronisation, des domaines appelés défauts topologiques dissipatifs, présents sous forme de vortex ou d’anti-vortex, se forment et demeurent stables dans le temps, comme prédit par la théorie de Tom Kibble.

Dans ces expérimentations, les vortex et anti-vortex sont des défauts de synchronisation de la phase des lasers. Des lasers parfaitement synchronisés auraient tous la même phase, c’est-à-dire que les creux et les bosses du champ électromagnétique de chaque laser arrivent en même temps en un point donné de l’Espace. Si des défauts topologiques apparaissent, ces creux et bosses ne sont plus synchronisés.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

Nature

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