Interférence - Définition et Explications

Interférences d'ondes planes lors de leur croisement.
Interférences d'ondes planes lors de leur croisement.
Interférence d'onde circulaires émises par deux sources voisines
Interférence d'onde circulaires émises par deux sources voisines

En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent. Ce phénomène apparaît souvent en optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) avec les ondes lumineuses, mais il s'obtient également avec d'autres types d'ondes, comme les ondes sonores.

Définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.)

Une onde (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...) se modélise par une fonction A(x,t), x étant la position dans l'espace (vecteur) et t étant le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

Lorsque l'on a deux sources distinctes, deux émetteurs, créant deux ondes A1 et A2, en un point (Graphie) x donné, l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de A sera

A(x, t) = A1(x, t) + A2(x, t)

En physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...), on considère classiquement deux phénomènes " idéaux " qui se produisent lorsqu'on mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée...) deux ondes sinusoïdales :

  • l'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type se rencontrent et interagissent l'une avec l'autre. Ce phénomène...) quand les deux ondes ont la même fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps....)
  • le battement (En acoustique, le battement est une interférence entre deux sons de fréquences légèrement différentes, laissant percevoir des pulsations. En acoustique musicale, il correspond au mélange de deux sons contenant des...) quand les fréquences sont légèrement différentes.

Cette approche est justifiée par :

  • le fait que toute fonction continue peut se décomposer en une somme de fonctions sinusoïdales (transformée de Fourier) ;
  • lorsque les fréquences sont très différentes, le résultat est bien plus simple.

Outils d'étude

Illustration de l'expérience des fentes de Young.
Illustration de l'expérience des fentes de Young (Les fentes de Young sont l'objet d'une expérience de physique réalisée en 1801 par Thomas Young qui consiste à diriger de la lumière sur deux petit trous (ou...).

On utilise des interféromètres pour mesurer ou visualiser les interférences.

Citons les fentes de Young, l'interféromètre de Michelson, interféromètre à double miroir (Un miroir est un objet possédant une surface suffisamment polie pour qu'une image s'y forme par réflexion et conçu à cet effet. C'est souvent une couche...), l'interféromètre à lame transparente.

Ondes sinusoïdales

Ondes de même fréquence déphasées

On considère des ondes de même amplitude A0, de même pulsation ω (donc de même nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie...) k) mais de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) α différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans l'anneau des entiers...), on a

A 1(x, t) + A 2(x, t) = 2A 0·cos(ω·t + k·x+(α12)/2)·cos((α12)/2)

L'onde résultante a donc la même pulsation, mais sa phase à l'origine et son amplitude dépend des phases des ondes interférentes. On voit que si α1 = α2 [2π] (les ondes sont dites " en phase "), le facteur cos((α12)/2) vaut cos(0) = 1, on a donc une onde d'amplitude double ; on parle d'interférences constructives.

Si par contre α1 = α2+π [2π] (les ondes sont dites " en opposition phase "), le facteur cos((α12)/2) vaut cos(π/2) = 0, les ondes s'annulent ; on parle d'interférences destructrives. Entre les situations, l'amplitude passe de 2·A 0 à 0 en fonction du facteur cos((α12)/2).

Ondes de fréquence proche (battements)

Voir l'article détaillé Battement.

Applications courantes

En radio

En radio, une interférence est la superposition (En mécanique quantique, le principe de superposition stipule qu'un même état quantique peut possèder plusieurs valeurs pour une certaine quantité observable (spin, position, quantité de...) de deux ou plusieurs ondes. Il est fréquent, pour les fréquences supérieures à quelques centaines de kilohertz, qu'une antenne (En radioélectricité, une antenne est un dispositif permettant de rayonner (émetteur) ou de capter (récepteur) les ondes électromagnétiques.) de réception reçoive simultanément l'onde directe en provenance de l'émetteur et une (ou plusieurs) onde réfléchie par un obstacle. Les deux signaux vont se superposer et, en fonction de la différence de phase entre eux, voir leurs amplitudes s'additionner ou se soustraire. Ce genre d'interférence est responsable du fading, terme anglo-saxon désignant une variation plus ou moins rapide de l'amplitude du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont...) reçu. Mais le phénomène ne se limite pas aux seules ondes radio.

Dans le sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive allant du...) commun, pour la radio, cela a pris le sens de " parasite " (il s'agit en fait de l'interférence entre l'onde radio (Les ondes radioélectriques (dites ondes radio) sont des ondes électromagnétiques dont la fréquence d'onde est par convention[1] comprise entre 9 kHz et 3000 GHz, ce qui correspond à des longueurs...) et une onde parasite).

Interférences sonores et visuelles

Sur une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) stéréo, on peut aussi inverser le branchement d'un des deux haut-parleurs ; alors, en se promenant dans la pièce, il y aura des endroits où le son s'annule, disparait. C'est ce phénomène qui est utilisé dans les casques anti-son.

Ce sont aussi des interférences qui sont à l'origine des phénomènes de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La diffraction...) (par exemple irisation d'une mince couche d'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et...), décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de vie, dégénèrent sous l'action...) 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 (rouge). La lumière est intimement liée...) par un disque (Le mot disque est employé, aussi bien en géométrie que dans la vie courante, pour désigner une forme ronde et régulière, à l'image d'un palet — discus en latin.) compact).

Lorsque l'on accorde un instrument de musique, on prend un son de référence (diapason, la du hautbois) et on règle l'instrument de sorte que les deux sons concordent. Lorsque la différence de fréquence est faible, on perçoit des battements sonores, et ces battements ralentissent lorsque les fréquences se rapprochent.

Interférences quantiques

Les interférences par des ondes (vagues, son, lumière) peuvent être obtenues par une raisonnement mathématique. Les particules élémentaires, comme les électrons ne devraient alors pas interférer de la même façon que ces ondes. Or d'après la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de décrire les phénomènes fondamentaux à l'œuvre dans les systèmes physiques, plus particulièrement à...), on ne peut pas se restreindre à l'appellation de particule. En effet, celles-ci sont également des ondes. On devrait plutôt dire que ce ne sont ni des particules ni des ondes : ce sont des objets présentant des aspects parfois ondulatoires et parfois corpusculaires. Cette notion de dualité onde-corpuscule permet de comprendre que ce que l'on appelle souvent des particules peuvent aussi exhiber un comportement ondulatoire et donc présenter des interférences.

Ainsi, en 1961, C. Jönsson à Tübingen réalisait une expérience où un fil d'araignée métallisé séparant un faisceau d'électrons en deux produisait une interférence d'électrons. Dans la pratique, les électrons forment des impacts sur une plaque photographique, et la répartition de ces impacts présente des franges, de la même manière que pour la lumière.

Lorsqu'il a été possible de détecter les photons et les électrons individuellement, on a put aussi montrer qu'il n'y a pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) d'une assemblée de particules pour faire des interférences : lorsqu'elles arrivent une par une, il y a également interférences. Cela permet de confirmer la célèbre affirmation de Dirac " chaque photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...) interfère seulement avec lui même " et l'expérience de pensée décrite par Feynman dans ses célèbres cours, où il se posait la question de savoir si la figure d'interférence apparaitrait même si les électrons arrivaient les uns après les autres devant deux fentes.

C'est en 1989[1] qu'une équipe de chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) de Hitachi (fabriquant de microscopes électroniques) réussit à contrôler la production d'électrons et la détection un à un et à observer l'apparition dans le temps, électron après électron de la figure d'interférences. L'équipe d'Hitachi peut affirmer que, dans leur expérience, les électrons sont passés un à un comme indiqué dans l'expérience de pensée de Feynman. Ce que l'on observe est que les impacts successifs forment petit à petit les franges d'interférence.

Rappelons que Davisson et Thomson ont partagé 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 figures...) de 1937 pour " la découverte de phénomènes d'interférences qui se produisent lorsque on expose des cristaux à un faisceau d'électrons " ce qui confirmait la thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème qu'il évoque.) théorique de Louis de Broglie (Louis Victor de Broglie, prince, puis duc de Broglie (15 août 1892 à Dieppe, France - 19 mars 1987 à Louveciennes, France) est un mathématicien et physicien français. Il...) qui reçut le prix Nobel en 1929 pour sa découverte de l'aspect ondulatoire de l'électron.

Depuis, des interférences ont été observées avec des neutrons, des 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...) et même des molécules comme le carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) 60. En effet avec un condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse, caractérisé par une fraction macroscopique d'atomes dans l'état quantique de plus basse énergie. Ce phénomène a été prédit...), il est possible de faire des interférences en coupant en le deux et en observant les deux moitiés se mélanger [2]. Ce qui est remarquable dans ces résultats, c'est que l'affirmation de Dirac semble s'appliquer à toute particule, qu'elle soit un boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules...) ou un fermion (Il existe deux grandes classes de particules élémentaires: les fermions et les bosons. Les fermions sont les particules à spin demi-entier (c'est-à-dire multiple de 1/2): l'électron, le...).

Le même résultat existe pour les interférences produites par des photons : voir ???.

Holographie (L'holographie du visible est un procédé de photographie en trois dimensions utilisant les propriétés de la lumière cohérente issue des lasers. Le mot holographie vient du grec holos « en...)

Un article [(lien)] aussi paru dans Nature, 432, 885 (2004) permet de voir comment les interférences permettent de faire de l'holographie en rayons X.

C'est de l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La...) sans lentilles. (Mais en sens inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1,...), si on utilise des lentilles pour faire de la diffraction ou des interférences cela devient aussi de l'holographie en ligne.)

La cristallographie RX est une technique d'interférence qui par transformations de Fourier permet de faire des reconstitutions ou 'images' 3D de molécules à l'échelle nanométrique, mais cela ne se fait pas en enregistrant la phase .

Stefan Eisebitt (BESSY, the Berlin Electron Storage Ring Company for Synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) 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 : radioactivité...), Berlin, Germany) et Jan Luning (Stanford Synchrotron Radiation Labor, USA), ont réussi à faire de l'holographie avec des RX en éclairant un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) positionné sur un trou de 1.5 micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) avec à côté un trou de référence de 100 nanomètre,ces deux trous étant éclairés avec un faisceau de rayons X cohérent.

Cela produit une figure d'interférence ou hologramme (L'hologramme est le produit de l'holographie. Il s'agit historiquement d'un procédé de photographie en relief. Aujourd'hui, un hologramme représente...) qui est enregistré avec une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la...) CCD.

La transformée de Fourier (En analyse, la transformation de Fourier est un analogue de la théorie des séries de Fourier pour les fonctions non périodiques, et permet de leur associer un spectre en...) rapide permet d'obtenir une " image ".

Ils ont ainsi observé les domaines magnétiques de multicouches cobalt-platine.

Des structures à l'échelle nanométriques devraient pouvoir être observées : nanocristaux et composants de microélectroniques, cellules et protéines complexes.

Un autre progrès technologique imminent devrait faire progresser ce domaine de l'holographie rayons X:

Les lasers à électron qui donneront une source pulsée de quelques femtosecondes très intense et cohérente de rayons X permettront d'observer le mouvement de nanoparticules ou même d'atomes

"Lensless Imaging of Magnetic Nanostructures by X-ray Spectro-Holography" - S. Eisebitt, J. Luning, W. F. Schlotter, M. Lorgen, W. Eberhardt and J. Stohr

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