Une mesure des forces au sein d'une pince optique

Publié par Adrien le 01/07/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
Quand une particule est piégée par une pince optique, la dynamique hors équilibre induite par les forces de pression de radiation est mal connue. Des physiciens ont montré que ces forces deviennent mesurables lorsque la particule est plongée dans une atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) raréfié.


Courants de probabilité dans l'espace des vitesses pour plusieurs pressions. Le code couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s)...) correspond à la densité de probabilité (En théorie des probabilités ou en statistiques, une densité de probabilité est une fonction qui permet de représenter une loi de probabilité sous forme...). © Amarouchene et al. / LOMA (CNRS/Univ. Bordeaux)

En mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...) statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode...) classique, la distribution de probabilité de Gibbs-Boltzmann décrit la position et la vitesse (On distingue :) d'une particule dans un bain thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant différents...), comme l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude,...) ou l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.). La répartition des forces agissant sur la particule est cependant mal connue pour une distribution stationnaire hors de l'équilibre, quand certaines forces ne dérivent pas d'un potentiel d'action. Cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un...) se retrouve en particulier dans les pinces optiques, qui ont valu à Arthur Ashkin le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les dernières volontés du testament du chimiste Alfred Nobel. Il récompense des...) en 2018. Un 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...) fortement focalisé y piège une particule grâce à une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), dont une des composantes non conservatives, c'est-à-dire dont le travail dépend du chemin parcouru, est longtemps restée négligée. En effet, les travaux dans ce domaine s'efforçaient principalement à accentuer l'immobilisation des particules, dans l'espoir de les faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'un régime classique à un régime quantique, plutôt que d'en étudier les mouvements.

Des chercheurs du Laboratoire ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) et matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide,...) d'Aquitaine (LOMA, CNRS/Université de Bordeaux) sont parvenus à isoler et mesurer cette force. Ils ont pour cela utilisé une nanobille de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...) d'une composition proche d'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 données. Elle offre un débit d'informations...): sa transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre est transparent dans le...) facilite sa capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui passe au voisinage d'un astre, est retenu dans la gravisphère de ce dernier. La capture de l'objet...) par pince (Une pince est un dispositif mécanique ou un outil, ayant pour fonction de pincer quelque chose d'autre, c'est-à-dire serrer pour saisir ou maintenir.) optique et limite les phénomènes d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie...) et d'échauffement. Plutôt que de la laisser dans un bain thermique liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.), où la particule serait soumise à d'innombrables collisions moléculaires du milieu environnant, les physiciens ont eu l'idée de la plonger dans un milieu gazeux raréfié. La force optique non conservative exercée sur la particule est alors plus importante que celle due aux collisions moléculaires, devenant ainsi observable (Dans le formalisme de la mécanique quantique, une opération de mesure (c'est-à-dire obtenir la valeur ou un intervalle de valeurs d'un...) et mesurable.

Cette étude généralise le fonctionnement des pinces optiques et apporte un système modèle pour examiner la physique statistique (La physique statistique a pour but d'expliquer le comportement et l'évolution de systèmes physiques comportant un grand nombre de particules (on parle de systèmes macroscopiques), à partir des caractéristiques de leurs...) hors de l'équilibre. Elle ouvre également des perspectives pour la mesure de forces ultra-faibles, y compris en 3D.


Dans la pince optique, la nanobille de silice (rayon 68 nm) située à un millimètre de l'objectif s'illumine au point (Graphie) de devenir visible. © Y. Amarouchene et Y. Louyer / LOMA (CNRS/Univ. Bordeaux)

Référence

Nonequilibrium dynamics induced by scattering forces for optically trapped nanoparticles in strongly inertial regimes.
Yacine Amarouchene, Matthieu Mangeat, Benjamin Vidal Montes, Lukas Ondic, Thomas Guérin, David S. Dean et Yann Louyer.
Physical Review Letters, le 8 mai 2019. DOI:10.1103/PhysRevLett.122.183901.

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