Sur le mur, des bandes claires et sombres. Voilà à quoi ressemble la lumière qui s'annule elle-même.
Dès le XVIIe siècle, Christiaan Huygens avait suggéré que la lumière était une onde. Mais ce sont les expériences d'Arago et Fresnel, au début du XIXe siècle, qui montrèrent que deux faisceaux ne produisent de telles franges que si leurs oscillations ont lieu dans un même plan. Cette découverte permit de comprendre ce qu'est la polarisation : la direction dans laquelle vibre l'onde.
Deux siècles plus tard, des physiciens ont revisité cette expérience en y ajoutant la perspective quantique de Roy Glauber. Au lieu de deux faisceaux ordinaires, ils ont utilisé deux types de lumière différents. D'un côté, un faisceau cohérent, comme celui d'un laser, où tous les photons marchent au pas. De l'autre, un photon unique, vrillé à gauche ou à droite, à la manière d'une minuscule toupie.
Ce « toupie » n'est autre que le spin du photon, sa rotation interne liée à la polarisation circulaire (celle utilisée pour les lunettes 3D). Les faisceaux ont été mélangés et la figure obtenue mesurée. Pour cela, on a eu recours à la photométrie précise — la mesure de la luminosité et de la polarisation. Contrairement à la spectroscopie, qui décompose la lumière en arc-en-ciel, seule la polarisation importait ici.
La surprise est venue d'un simple constat. Il s'est avéré que les franges dépendent de la rotation du photon. Spin gauche : un motif. Spin droit : un autre.
Ainsi, un simple mélangeur optique s'est mué en détecteur de rotation quantique. Déterminer le spin ne nécessite aucun appareil sophistiqué : il suffit d'observer les bandes. À l'avenir, cela servira dans les réseaux quantiques, où il est crucial d'identifier rapidement l'état de photons uniques.
La lumière se propage à une vitesse constante de 300 000 km/s. Rien ne va plus vite. Mais dans ces expériences, elle révèle sa nature ondulatoire.
Ainsi, l'antique expérience des franges sur un mur connaît une seconde jeunesse. Aujourd'hui, elle ne fait pas que confirmer la nature ondulatoire de la lumière, elle sert aussi de clé pour percer les secrets quantiques.
Le mot « spin » vient de l'anglais spin, qui signifie « rotation ». Bien que le photon ne tourne pas comme une petite bille, cette propriété se comporte comme un moment angulaire.