La brisure de symétrie de la récurrence de Fermi-Pasta-Ulam enfin observée
Publié par Redbran le 17/06/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Des physiciens viennent pour la première fois de mesurer plusieurs récurrences de Fermi-Pasta-Ulam successives en étudiant la propagation d'impulsions lumineuses dans une fibre optique donc l'absorption avait été artificiellement éliminée. Ceci leur a permis d'étudier la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) de ce phénomène et notamment d'observer l'apparition d'une brisure spontanée de symétrie.


Cartographie de l'intensité lumineuse en fonction de la position z et du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) t. A gauche, récurrence de Fermi Pasta Ulam classique ; à droite, phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :), avec une brisure de symétrie © PhLAM (CNRS/Univ. Lille)

Dans un système présentant de très grands nombres de degrés de liberté interagissant entre eux de manière non linéaire, l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) se répartit habituellement de manière égale dans tous les degrés de liberté. Toutefois comme l'ont découvert en 1953 les physiciens E. Fermi, J. Pasta et S. Ulam, dans des certains cas, le système revient périodiquement dans son état initial. Ce phénomène est aujourd'hui connu sous le nom de récurrence de Fermi-Pasta-Ulam. Cette récurrence initialement observée dans le cadre de simulations numériques est maintenant bien comprise de manière théorique.

Son observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de recherche basées...), effectuée sur des systèmes physiques très variés reste toutefois incomplète. Seule la première récurrence avait jusqu'à présent été détectée, les suivantes se trouvant annihilées par la dissipation. Si ces observations suffisent à démontrer l'existence du phénomène de récurrence dans des systèmes physiques réels, elles ne permettent pas de tester la dynamique riche et complexe qui peut naitre lors des récurrences suivantes.

En supprimant artificiellement la dissipation, des physiciens du Laboratoire physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne...) des lasers, atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué...) et molécules (CNRS/Univ. Lille), en partenariat avec le département d'ingénierie (L'ingénierie désigne l'ensemble des fonctions allant de la conception et des études à la responsabilité de la construction et au contrôle des...) de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Ferrara (Italie), viennent pour la première fois de mesurer plusieurs récurrences successives lors de la propagation d'impulsions lumineuses dans une fibre optique (Une fibre optique est un fil en verre ou en plastique très fin qui a la propriété de conduire la lumière et sert dans les transmissions terrestres et océaniques de...). En outre, ils ont observé un phénomène de brisure spontanée de symétrie en détectant deux types de récurrences caractérisées par la présence ou l'absence d'un décalage de phase des récurrences paires par rapport aux récurrences impaires. Ce travail est publié dans la revue Nature Photonic et ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension fine de phénomènes tels que les vagues scélérates dans les océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a...).

Pour étudier le phénomène de récurrence, les chercheurs ont mesuré la propagation d'impulsions lumineuses intenses dans une fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.). Habituellement, la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes...) optique élargit les impulsions jusqu'à ce qu'elles disparaissent. Toutefois, lorsque l'intensité lumineuse est suffisante, des effets non linéaires peuvent conduire une refocalisation temporelle conduisant à la reconstitution de l'impulsion initiale. La présence de perte lors de la propagation interdit toutefois d'observer plus d'une récurrence.

Pour réaliser ce travail, les chercheurs ont donc dû relever deux défis: éliminer les pertes lors de la propagation dans la fibre et cartographier l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de l'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte...) lumineuse, c'est-à-dire mesurer non seulement son intensité, mais aussi sa phase, et ce, sur toute la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de...) de la fibre.

Pour éliminer les pertes, les physiciens ont exploité le phénomène d'amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) Raman. Un second faisceau laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light amplification by...), légèrement décalé en fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de...) par rapport au faisceau étudié est envoyé simultanément dans la fibre. Le gain optique obtenu compense alors les pertes sur près de 8 km de fibre, soit 2,5 fois la longueur parcourue lors d'une récurrence. Le système de détection (Un système de détection est un système permettant à l'utilisateur d'observer un événement automatiquement par le biais d'un appareil électronique ou mécanique. On peut distinguer plusieurs types de systèmes de détection,...) repose sur la mesure hétérodyne (La détection hétérodyne consiste à transposer l'énergie d'une partie du spectre à plus basse fréquence (dite « intermédiaire ») avant...) de l'amplitude et de la phase de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) rétrodiffusée par les impuretés présentes dans la fibre optique. C'est ce qui a permis de mesurer deux types de comportements. Soit le système revient exactement dans son état initial, le phénomène de récurrence de base, soit les maxima se transforment en minima et vice versa, et on observe donc une brisure de la symétrie de la récurrence de Fermi-Pasta-Ulam.

Ce travail ouvre de nouvelles perspectives dans ce domaine de recherche fondamentale (La recherche fondamentale regroupe les travaux de recherche scientifique n'ayant pas de finalité économique déterminée au moment des travaux. On oppose en général la recherche fondamentale à la recherche appliquée....), jusqu'à présent limité aux mesures d'intensité.

Référence publication:
Fibre multi-wave mixing combs reveal the broken symmetry of Fermi– Pasta–Ulam recurrence
A. Mussot, C. Naveau, M. Conforti, A. Kudlinski, F. Copie, P. Szriftgiser et S. Trillo
Nature Photonics (2018), doi:10.1038/s41566-018-0136-1

Contact chercheur:
Arnaud Mussot, Professeur à l'Université de Lille et chercheur au PhLAM

Informations complémentaires:
Laboratoire de physique des lasers, atomes et molécules (PhLAM, CNRS/Univ. Lille)
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