En modifiant la façon dont la lumière se comporte au sein d’une méta-surface, un matériau synthétique très petit, ces scientifiques chinois ont pu ralentir de 10 000 fois la vitesse de la lumière. Cela pourrait être utile pour l’informatique et la communication optique.

La lumière voyage à la vitesse de la lumière. Celle-ci est constante : 299 792 km par seconde. C’est une loi inébranlable de la physique, qui définit une grande partie de la structure de notre univers. Cette constante s’applique certes au vide : dans de l’eau, la lumière ralentit naturellement. Contrôler le ralentissement de la lumière relève cependant d’une tout autre histoire.

C’est pourtant ce qu’ont réussi à faire des scientifiques chinois en développant une nouvelle méthode, relatée dans une étude publiée début 2024 dans la revue Nano Letters, repérée par ScienceAlert le 11 février. Et ce n’est pas que de la physique théorique : « Nous pensons que nos travaux ouvrent une voie entièrement nouvelle pour la réalisation d’interactions lumière-matière ultrasolides dans les puces nanophotoniques », écrivent-ils. En clair, mobiliser cette avancée sur des puces pourrait avoir un impact sur l’informatique et la communication optique. Mais comment ?

La réponse est à trouver dans la génération d’un état spécifique de la matière : la transparence induite électromagnétiquement. Cette méthode, déjà connue, consiste à perturber électroniquement le chemin de la lumière. Grâce à l’usage de deux faisceaux optiques — des lasers –, le gaz du milieu visé devient « transparent » au lieu d’être opaque. Contrairement à ce que l’on peut imaginer, cette fenêtre transparente ralentit la lumière en raison d’un phénomène de dispersion.

Une puce spécialement conçue pour ralentir la lumière

La transparence induite électromagnétiquement pose toutefois un problème. Comme la lumière se disperse au cours de ce ralentissement, on y perd une grande part de celle-ci et aussi de son énergie. Cela rend cette technique peu pratique pour la mobiliser en conditions réelles. C’est bien ce casse-tête que ces scientifiques chinois ont souhaité résoudre.

Les méta-surfaces sont des matériaux artificiels en 2D, aux propriétés inexistantes dans la nature. // Source : Couverture de Nano Letters
Les méta-surfaces sont des matériaux artificiels en 2D, aux propriétés inexistantes dans la nature. // Source : Couverture de Nano Letters

Pour ce faire, ils ont créé une méta-surface spécifique, capable de réduire cette perte. Par « méta-surface », on entend un type de matériau en 2D, ultramince et purement synthétique (introuvable dans la nature). En l’occurrence, la nouvelle méta-surface présentée dans cette étude se constitue de très fines couches de silicium, de la même façon qu’une puce informatique. On parle ici de puce nanophotonique, car elle est optique. Ils en ont conçu une toute nouvelle structure, où les méta-atomes de la méta-surface sont positionnés à forte proximité entre eux.

Leur puce permet de réduire de cinq fois les pertes d’énergie, en comparaison des précédentes techniques mobilisant la transparence induite électromagnétiquement. Quant à la lumière, sa vitesse est réduite de 10 000 fois. Leur méthode fonctionne. Ce n’est pas la première fois que de la lumière est ralentie en milieu contrôlé, mais celle-ci est particulièrement efficiente : de quoi promettre de nouvelles techniques pour l’avenir de l’informatique, qui passera peut-être d’ailleurs par l’informatique quantique.


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