La lumière ne se déplace pas toujours en ligne droite !

D'ordinaire, la lumière se propage en suivant une ligne droite... Sauf lorsqu'elle traverse un intervalle entre deux plaques séparées par une distance inférieure à sa longueur d'onde. Les physiciens connaissent ce comportement étrange depuis un certain temps, mais il a été prouvé qu'il était très difficile de prévoir avec précision la trajectoire suivie par la lumière.

Des chercheurs américains ont désormais élaboré un modèle numérique capable de cela, qui pourrait aider considérablement les scientifiques qui tentent d'exploiter les propriétés optiques uniques des petits écarts pour produire des microscopes plus sensibles ou des cellules photovoltaïques plus efficaces.

Quand la lumière rayonne entre deux surfaces séparées par moins d'une longueur d'onde, il n'y a pas assez de place pour que la lumière traverse cette distance comme une onde de propagation normale. Au lieu de cela elle franchit l'écartement par le biais d'ondes dites "évanescentes", qui sont des ondes qui n'existent qu'à très courte distance (moins d'une longueur d'onde) d'une surface. Les physiciens commencent à exploiter de telles ondes dans des dispositifs nano optiques tels que des super lentilles, mais il s'avère très difficile de prévoir exactement comment la lumière se comporte dans ces intervalles minuscules en utilisant la théorie électromagnétique.

Zhuomin Zhang et collègues de l'institut de technologie de Géorgie ont proposé une nouvelle façon de prévoir le comportement de la lumière infrarouge dans de tels espacements. Au lieu de se concentrer sur la lumière elle-même, ils ont modélisé la manière dont les ondes évanescentes transportent la chaleur à travers un espace vide de 100 nm entre deux lames de carbure de silicium. Leur calcul implique la prédiction des "vecteurs de Poynting" qui décrivent le flux d'énergie électromagnétique.


Leurs simulations démontrent qu'au lieu de se propager en ligne droite, la lumière serpente en traversant l'intervalle. Les chercheurs pensent que ce nouveau moyen de visualiser la trajectoire de la lumière à travers de minuscules espaces devrait aider des physiciens à prendre des décisions importantes lors de la conception des dispositifs nano optiques (forme des lamelles et distance de séparation).

Selon Zhang, les simulations pourraient aider des chercheurs à élaborer des structures nano optiques capables d'absorber très efficacement le rayonnement infrarouge. De telles structures pourraient être employées pour réaliser des cellules thermophotovoltaiques (TPV, qui convertissent le rayonnement infrarouge en électricité), très performantes. Ces cellules pourraient être utilisées pour produire de l'électricité à partir de la chaleur perdue par les processus industriels.

Les simulations fournissent également une illustration probante de la réfraction négative de la lumière au niveau des deux interfaces carbure de silicium / vide. Le phénomène de réfraction négative se produit quand la trajectoire de la lumière qui passe d'un milieu à un autre se courbe dans la direction opposée à la direction normale de réfraction. Les physiciens ont déjà tiré profit de cet effet dans le domaine des "super lentilles" élaborées à partir de lamelles de carbure de silicium, capables de prendre des images de structures minuscules beaucoup plus petites que la longueur d'onde de la lumière utilisée.