Une démonstration de l'effet Hall photonique

Publié par Adrien le 20/11/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
Une équipe de chercheurs a démontré qu'une sphère diffusant la lumière, dotée d'une source lumineuse dans son centre, se met en rotation lorsqu'elle est soumise à un champ magnétique grâce à l'effet Hall photonique.

Lorsque les photons se propagent dans un milieu désordonné soumis à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en...) externe, on observe l'apparition d'un flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens...) d'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.) dit "magnéto-transverse". C'est l'effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une...) photonique, équivalent de l'effet Hall électronique bien connu dans la conduction électrique. Le rôle de la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) déviée par le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique est ici joué par la rotation de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) induite par le champ magnétique.


Les photons (en jaune), émis par une source au centre (étoile verte) quittent la sphère soumis au champ magnétique Bo. La densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) de flux qui en résulte (S) est dotée d'un moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment angulaire dépend...) orbital proportionnel au champ magnétique. La conservation du moment angulaire total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire...) du système entraîne. © 2020 American Physical Society

Cet effet, découvert il y a 25 ans par des chercheurs du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) au Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI, CNRS/INSA Toulouse/Université Toulouse-III-Paul-Sabatier/Université Grenoble Alpes) et au Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) et modélisation des milieux condenses (LPM2C, CNRS/ Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) Grenoble Alpes) de Grenoble, n'avait pas dit son dernier mot.

Ces mêmes chercheurs ont démontré que dans une sphère optiquement épaisse, soumise à un champ magnétique et dotée en son centre d'une source optique dépolarisée, les photons qui s'échappent de la sphère après leur marche aléatoire (En mathématiques et en physique théorique, une marche au hasard est un modèle mathématique d'un système possédant une dynamique discrète composée d'une succession de pas...) vers son bord possèdent un moment angulaire orbital proportionnel au champ magnétique appliqué. Puisque le moment angulaire total est toujours conservé, la sphère sera soumise à un couple mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet...) opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même niveau, l'un...), et se mettra donc à tourner. Cette prédiction théorique doit être désormais confirmée par l'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 très grande participation...).

Ce moulinet magnéto-optique pourrait avoir des conséquences pour le transfert radiatif dans les atmosphères stellaires, souvent soumises à des forts champs magnétiques.

Référence:
The Photon Hall Pinwheel, Radiation (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple :...) of Angular Momentum by a Diffusing Magneto-optical Medium.
Bart van Tiggelen et Geert Rikken, Physical Review Letters, le 22 septembre 2020.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.133901
Article disponible sur la base d'archives ouvertes HAL et ArXiv
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