Lasers et univers primitif

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21 décembre 2018

Décidément, la physique des lasers s’avère être une ressource sans fin. Récemment, un groupe de recherche de l’Institut Weizmann, dirigé par les professeurs en physique Asher Friesem et Nir Davidson, a démontré qu’il était possible d’étudier et d’en apprendre plus sur le développement de notre univers lors de son état primitif.

Image. Anneaux de lasers couplés utilisés pour étudier le mécanisme de Kibbel-Zurek (crédits : Vishwa Pal)

Image. Anneaux de lasers couplés utilisés pour étudier le mécanisme de Kibbel-Zurek (crédits : Vishwa Pal)

Peu après le Big Bang, notre univers était dans un état très chaud, dense et désordonné. Il s’est depuis refroidi et étendu jusqu’à atteindre un état plus 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. Chaque patch d’univers a évolué indépendamment de ses voisins et a développé des structures uniques. Chacun de ces patchs a ensuite grandi puis touché ses voisins ce qui a 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.
Cependant, il nous est impossible de vérifier la théorie de Tom Kibble sur notre univers car cela nécessiterait des temps d’observation bien au-delà du millénaire. Dans les années 80, 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 stable dans le temps, comme prédit par la théorie de Tom Kibble. Ici, 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.

En plus de son apport certain au domaine de la physique expérimentale, ce travail permet notamment de lier deux domaines de la recherche qui interagissent peu, la physique des lasers et la cosmologie.

Sources :
https://www.nature.com/articles/549163a
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.119.013902

Rédacteur : Arnaud Courvoisier, doctorant à l’Institut Weizmann

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