La diffraction est la déviation des ondes (lumière, son, eau) de leur propagation rectiligne lorsqu'elles rencontrent un obstacle ou une ouverture. Elle se manifeste nettement lorsque la taille de la fente est comparable à la longueur d'onde. Dans le cas de la lumière, cela produit un motif d'interférence — un ensemble de bandes de différentes intensités.
Histoire
La première description systématique de la diffraction de la lumière a été donnée par le physicien italien Francesco Grimaldi dans un ouvrage posthume de 1665, en introduisant le terme lui-même. La nature ondulatoire de la lumière, capable d'expliquer la diffraction, a été défendue par Christian Huygens (1690). En 1801, Thomas Young a démontré l'interférence à partir de deux fentes, confirmant la théorie ondulatoire. Augustin Fresnel a présenté en 1818 une théorie mathématique rigoureuse, résolvant le problème de la diffraction par le bord d'un écran. Plus tard, en 1912, Max von Laue et ses collaborateurs ont découvert la diffraction des rayons X dans les cristaux, ce qui lui a valu le prix Nobel. William Lawrence Bragg et son père William Henry Bragg ont mis au point une méthode de décryptage des structures cristallines à partir des diagrammes de diffraction. Joseph von Fraunhofer a inventé le réseau de diffraction et l'a utilisé pour la spectroscopie.
Comment ça marche
La diffraction est une conséquence de la superposition des ondes. Lorsqu'une partie du front d'onde est bloquée par un obstacle, les ondes secondaires provenant des zones ouvertes interfèrent, créant un motif complexe. Pour les structures périodiques, telles qu'un réseau de diffraction ou un réseau cristallin, la condition de renforcement est décrite par la loi de Bragg : nλ = 2d sin θ, où n est l'ordre de diffraction, λ la longueur d'onde, d la distance interplanaire, θ l'angle de glissement. Cette loi est à la base de l'analyse structurale par rayons X. Pour les réseaux à nombreux traits, l'intensité est concentrée en pics étroits, ce qui permet d'utiliser la diffraction dans les spectromètres pour mesurer les longueurs d'onde avec une grande précision.
En pratique
Grâce à la diffraction, les réseaux des spectromètres fonctionnent, séparant la lumière en couleurs pour analyser la composition chimique des étoiles.
Anecdote
Si l'on regarde un lampadaire à travers un tissu fin, on peut remarquer des irisations arc-en-ciel — c'est aussi de la diffraction sur les fils.
Imaginez un interféromètre comme une oreille géante qui écoute le murmure radio d'une galaxie lointaine. Trois antennes, disposées sur des continents différents, captent le signal, et la différence de leurs phases se combine en une quantité indépendante des tremblements de l'atmosphère.
La lumière qui naît lorsqu'un électron rapide pénètre dans un matériau est généralement considérée comme identique dans toutes les directions. Mais dans les cristaux où les propriétés optiques dépendent de l'orientation, ce n'est pas le cas. Passez la main sur du velours : dans un sens, il est lisse et brillant ; dans l'autre, il est sombre et rugueux.
Lorsque la lumière frappe du plastique ordinaire, elle se réfléchit partiellement, comme un reflet sur une fenêtre. Pour éliminer ces reflets, on applique sur la surface un revêtement spécial composé de minuscules structures qui suppriment la réflexion.
Un rayon de lumière, en passant près d'un corps massif, change légèrement de direction — comme un jet d'eau qui contourne une pierre dans un ruisseau. Dans le Système solaire, il y a beaucoup de ces « pierres » : les planètes, leurs satellites, les astéroïdes.
Les vagues à la surface de l'eau se brisent généralement contre tout obstacle — une pierre, un pieu, une île. Mais que se passerait-il si l'on disposait les obstacles si astucieusement que la vague ne les remarque presque pas ? Dans cette nouvelle étude, des scientifiques ont disposé sur l'eau un motif de nombreux points, placés selon des règles mathématiques particulières, et ont envoyé des vagues à travers.
Dans un détecteur d'ondes gravitationnelles, la lumière parcourt des tunnels de plusieurs kilomètres en se réfléchissant sur des miroirs. Un faisceau parfaitement régulier ressemble à un drap lisse tenu par les coins.
La lumière change de direction dans une lentille, tout le monde le sait. Les ondes gravitationnelles, en passant près d'un corps massif, voient aussi leur trajectoire se courber.
Le 23 novembre 2023, les détecteurs LIGO ont capté quelque chose d'étrange. Le signal d'ondes gravitationnelles d'une fusion de deux trous noirs, numéroté GW231123, indiquait des masses records – 137 et 101 masses solaires – et une rotation anormalement rapide.
Huit points brillants dans le ciel radio. C'est le même quasar HS 0810+2554, dont la lumière a traversé une lentille gravitationnelle — une galaxie massive au premier plan.
Un rayon de lumière qui passe près d'un corps massif est dévié — c'est l'effet de lentille gravitationnelle, bien connu grâce aux images de galaxies lointaines.
Lorsqu'une onde radio rencontre un bâtiment sur son chemin, elle ne se contente pas de se réfléchir ou d'être absorbée : elle le contourne, un peu comme les vagues de la mer épousent un rocher, laissant derrière lui une eau calme.
Une onde lumineuse ressemble à une corde que l'on secoue : elle oscille dans un plan précis. Cette propriété, la polarisation, renseigne sur la forme et la composition des objets. Mais la capter n'est pas simple, surtout si l'on veut couvrir une large gamme de couleurs. Habituellement, on assemble des systèmes encombrants de lentilles et de filtres.
Un film mince d'un cristal particulier, comme le disulfure de molybdène, repose sur une platine. La température est légèrement supérieure à celle à laquelle le matériau devient supraconducteur.
Dans la substance blanche du cerveau, le signal circule le long des axones – de longs prolongements de neurones enveloppés dans une gaine de myéline isolante. L'eau remplit l'espace à l'intérieur des axones et à l'extérieur, dans les interstices étroits entre les fibres.
Un faisceau de lumière entre dans un verre trouble et s'éteint — c'est courant. Mais les physiciens savent depuis longtemps faire passer la lumière à travers sans perdre un seul photon. Cette astuce s'appelle la transparence électromagnétiquement induite : deux ondes lumineuses s'annulent mutuellement au bon endroit, et l'absorption disparaît.
Un observatoire d'ondes gravitationnelles ressemble à un microphone réparti en différents points de la Terre. Lorsqu'un signal arrive de l'espace — par exemple, d'une fusion de trous noirs ou de l'explosion d'une supernova — chaque microphone entend quelque chose de légèrement différent.
Quelques instants avant une éclipse totale, de rapides bandes d'ombre glissent sur le sol, comme des rides à la surface de l'eau. Ce phénomène a défié les scientifiques pendant des siècles. Il s'avère que tout est une question de nature ondulatoire de la lumière.
Le Soleil n'est pas une lampe ponctuelle, mais un disque immense.
Un caillou tombe dans un étang, et des cercles se propagent à la surface. Mais voilà qu'une des vagues, au lieu de s'éloigner, reste collée à un pli invisible de la surface et ne court que le long de celui-ci.
Si vous frappez dans vos mains dans une pièce vide, l'écho révélera sa taille et sa forme. Chaque objet — une chaise, un livre, une personne — ajoute sa signature à cet écho : le son s'y réfléchit d'une manière particulière. Les auteurs de l'article ont imaginé comment réécrire entièrement cette signature sonore.
Des scientifiques ont fait en sorte que des ondes électromagnétiques se perdent à jamais dans un labyrinthe tridimensionnel de particules métalliques. Jusqu'à présent, cela n'avait été réalisé que pour le son ou les électrons. L'entropie — mesure du désordre — a joué ici le rôle d'un cul-de-sac : les ondes se superposaient et s'annulaient mutuellement, perdant leur direction.
Imaginez un danseur à trois visages sur la crête d'une onde lumineuse. Un visage est celui d'un attrapeur, qui absorbe les photons incidents. Le deuxième est un miroir parfait, qui renvoie la lumière. Le troisième est un verre dépoli, qui diffuse les rayons dans toutes les directions. Tant que la vitesse est faible, la danse est harmonieuse.
Les ondes gravitationnelles sont un frémissement de l'espace-temps lui-même. D'habitude, on n'en perçoit que le bourdonnement global, mais chaque onde possède aussi une direction d'oscillation : la polarisation.
Une particule chargée traverse un capteur en silicium et laisse derrière elle une traînée d'électrons libres. Le temps que met cette charge à se rassembler sur l'électrode dépend de la profondeur à laquelle elle est née dans le cristal.
Un détecteur ordinaire de photométrie ne fait pas la différence entre un photon venant de gauche et un autre venant de droite. Mais dès qu'il se met en mouvement, tout change.
Imaginez un batelier qui rame entre deux joueurs de flûte jouant la même note.
Une pierre tombe dans un étang et des cercles se propagent à la surface de l'eau. Si ces cercles rencontrent une branche émergée, une partie de l'ondulation se réfléchit, une autre contourne l'obstacle.
Un spectre, c'est un peu comme une photographie de la structure interne d'une substance, prise avec de la lumière. Lorsque le faisceau traverse l'échantillon ou s'y réfléchit, les molécules laissent sur ce cliché des bandes sombres caractéristiques : les pics. Mais si la photo est surexposée ou voilée de gris, distinguer les détails devient presque impossible.
Un caillou jeté dans un étang fait naître des ronds qui s'étendent dans toutes les directions. Imaginez maintenant que l'étang lui-même se transforme soudain en gelée, et ce, instantanément, plus vite que la vague n'a le temps de former une seule crête.
Un régiment de soldats défile sur la place d'armes. Tant que chacun suit le pas, le mouvement reste net et coordonné. Mais dès que quelqu'un casse le rythme, la cohésion se perd. Dans le monde microscopique, les électrons jouent ce rôle de troupe : lorsque leurs oscillations sont synchrones, la matière émet une raie fine et nette.
Le vent solaire — un flux de particules chargées venant du Soleil — percute le gaz ténu qui remplit l'espace entre les étoiles. De cette collision naît une faible émission de rayons X. Pour les astronomes, c'est comme un brouillard devant les phares : il empêche de distinguer les objets lointains.
Les détecteurs d'ondes gravitationnelles sont des microphones qui écoutent les frémissements de l'espace. Mais leur propre bruit étouffe les signaux faibles.
Une galaxie ressemble à une crêpe lumineuse parsemée d'étoiles. Si on la regarde à plat, on voit tout d'un coup – les bras brillants et les couches sombres de poussière. Mais il suffit d'incliner la crêpe pour que le tableau change : les couches se superposent, la lumière se mélange.
Jetez une pierre dans un étang : les cercles se propageront régulièrement. Mais imaginez qu'au centre de l'étang, au lieu d'un simple point, il y ait un entonnoir sans fond où l'eau disparaît dans le néant. Les cercles autour d'un tel entonnoir ne seraient pas de simples anneaux, mais se courberaient comme la corde d'un arc tendu.
Un caillou tombe dans un étang — et des cercles réguliers se propagent à la surface de l'eau. Mais le fond de l'étang est jonché de petits morceaux de verre invisibles : chacun retarde légèrement l'onde, la disperse par endroits, ou en modifie le pas.
La lumière ordinaire se disperse dans toutes les directions, comme l'eau d'un verre brisé. Mais dans certains cristaux, les ondes lumineuses savent se regrouper en faisceaux étroits et ne circuler que dans une seule direction – comme l'eau dans une gouttière. Des physiciens ont étudié un tel matériau : l'oxyde de vanadium lamellaire α-V2O5.
La lumière peut maintenir un atome en place, comme un jet d'air maintient une balle légère. Mais l'atome de dysprosium n'est pas une balle ordinaire : à l'intérieur, il possède de nombreux « engrenages » (des électrons) qui réagissent différemment à la lumière de différentes couleurs.
Une rivière coule dans un sens, mais les vagues à sa surface se déplacent dans l'autre. Ce même dédoublement se produit dans les matériaux hyperboliques : l'énergie de l'onde lumineuse et ses fronts divergent, empêchant la création d'une lentille nette.
En général, le courant électrique est identique dans les deux sens, comme l'eau dans un tuyau droit. Mais à la frontière entre un métal ordinaire et un supraconducteur, cette règle est brisée. Deux vagues sur l'eau, contournant un obstacle large par des côtés opposés, peuvent arriver avec des retards différents et se rencontrer « en décalage ».
Un tuyau d'arrosage projette un puissant jet d'eau. Si on le pince légèrement ou qu'on le secoue, le jet commence à onduler comme un serpent et des gouttes volent de tous côtés. Quelque chose de similaire se produit avec les jets de plasma géants éjectés par les trous noirs.
La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.
