loi de Malus

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.

Un laser frappe un atome et en arrache un électron. Plus la lumière est intense, plus le coup est fort, et l'électron s'éloigne plus vite. C'est ainsi que fonctionne l'image habituelle, où la lumière est une onde régulière.

Une batterie solaire à pérovskite, c'est comme une jeune athlète : au début, elle donne d'excellents résultats, mais avec l'âge, elle se fatigue. En huit heures, ses performances chutent nettement, et aucune cause visible comme des fissures ou de la poussière n'apparaît. Des scientifiques ont pris une batterie et ont relevé ses mesures à la 0e, 90e, 280e et 480e minute de sa vie.

Lorsque deux noyaux lourds entrent en collision dans un accélérateur, il se forme une minuscule boule de feu de plasma quark-gluon (un état particulier de la matière où les quarks et les gluons ne sont pas confinés à l'intérieur des particules).

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.

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.

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.

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.

Deux feuilles d'une finesse extrême, chacune d'un seul atome d'épaisseur, sont posées l'une sur l'autre et légèrement tournées. Comme deux feuilles de papier calque de couleur : tant qu'elles sont bien alignées, l'image est une, mais dès qu'on les tourne, un motif de moiré apparaît. Ici, certes, le motif n'est pas visible à l'œil, mais il modifie complètement la façon dont le matériau interagit avec la lumière.

Le faisceau d'une lampe de poche glisse sur un verre irrégulier. Le verre, ce sont les amas massifs de galaxies, et la lampe de poche, c'est la lumière ancienne née peu après le Big Bang. En passant près de ces amas, la lumière ne se contente pas de les contourner comme l'eau contourne une pierre.

Lorsque deux trous noirs fusionnent, ils secouent la trame même de la courbure de l'espace-temps. Le géant nouveau-né ne se calme pas instantanément – il résonne, telle une cloche cosmique, émettant un motif caractéristique d'ondes gravitationnelles amorties : le fameux ringdown.

L'univers n'est pas un vide, mais une immense sphère cristalline, parcourue de frontières invisibles — les parois de domaine, figées après des transitions de phase.

Une goutte d'eau dans un champ électrique intense s'allonge. Le noyau de deutérium — une paire liée de proton et de neutron — se comporte de la même manière, sauf que le champ est ici créé par un photon gamma qui passe, et au lieu de s'étirer, le noyau peut tout simplement se briser.

Au fin fond de l'espace, une étoile à neutrons en rotation rapide, un pulsar surnommé Phare, file à travers un gaz ténu. Telle une vedette fendant l'eau, il laisse derrière lui une traînée lumineuse de particules chargées. Cette traînée est visible en rayons X comme une queue brillante et un mince filament s'étendant sur plusieurs années-lumière.

Dans une pièce sombre, le faisceau d'une lampe de poche ne révèle qu'une étroite bande. C'est à peu près ainsi que Roger Penrose a proposé d'observer les ondes gravitationnelles — ces ondulations de l'espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière.

La lumière émise par de fines couches de semi-conducteurs peut être polarisée : ses ondes oscillent dans un même plan. On pensait auparavant que la direction des oscillations était imposée par l'éclairage de l'échantillon.

Si l'on éclaire un cristal de FePS3, il répond par sa propre luminescence — comme une enseigne au néon, mais bien plus faible et dans l'infrarouge. Cette émission n'est pas due au hasard : elle dépend de l'orientation du cristal.

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.

Une feuille ordinaire de phosphore noir ressemble à un gâteau en couches d'atomes. Si on l'éclaire avec une lampe classique, rien de particulier ne se produit : les électrons restent bien en place, comme des spectateurs dans une salle obscure. Mais une brève impulsion laser, durant des millionièmes de milliardième de seconde, secoue cette salle.

Pendant un orage, le ciel fonctionne comme une pile géante : la charge électrique s'accumule dans le nuage, et l'éclair la décharge. Cette charge est invisible, mais les particules cosmiques — les muons, qui pleuvent constamment sur la Terre depuis l'espace — la ressentent.

On peut façonner un faisceau lumineux pour qu'il ressemble à une fleur à plusieurs pétales. Si l'on fait passer ce faisceau à travers un nuage d'atomes de rubidium refroidis et que l'on active un champ magnétique, les pétales se mettent à tourner. L'angle de rotation est directement lié à l'intensité du champ.

La lumière du Soleil est généralement non polarisée : ses ondes oscillent dans toutes les directions, comme une foule où chacun agite les bras comme il veut. Mais le 3 mai 2023, des astronomes à Locarno (Suisse) ont remarqué que pendant une éruption, la lumière de l'hélium devenait organisée — les ondes s'alignaient dans une direction, comme des soldats en parade.

Une étoile à neutrons de la taille d'une ville tourne plus vite qu'un mixeur de cuisine et projette des particules autour d'elle. Un nuage lumineux se forme alors — on l'appelle le halo de pulsar. La forme de ce nuage dépend des champs magnétiques invisibles qui, comme les courants océaniques, guident les particules.

Le Soleil n'est pas une sphère tranquille. À l'intérieur, des ondes se propagent en permanence, comme dans une cloche après un coup. Ces oscillations remontent à la surface et révèlent ce qui se passe sur la face cachée, invisible. Les astronomes savent depuis longtemps « écouter » cette sonnerie et y repérer de grands groupes de taches.

Le pulsar X Centaurus X-3 est une étoile à neutrons qui tourne rapidement et émet des impulsions de rayons X, tel un phare.

La lumière qui traverse un cristal mince peut changer de couleur et de direction d'oscillation. Dans une lamelle de disulfure de molybdène épaisse de plusieurs centaines d'atomes, un faisceau infrarouge se transforme en lumière verte, et sa polarisation — c'est-à-dire la manière dont l'onde lumineuse oscille — obéit à la…

Dans l'immense accélérateur de particules, où des protons lancés à une vitesse proche de celle de la lumière percutent une cible de néon, naissent des baryons charmés — des particules qui vivent moins d'un milliardième de seconde.

Dans le nuage sombre L43, où naissent les étoiles, les grains de poussière tourbillonnent comme de minuscules boussoles. La lumière d'une jeune étoile les pousse, tandis que le champ magnétique les aligne dans une direction précise.

La lumière de l'étoile HD 163296 traverse le disque de gaz et de poussière qui l'entoure, comme le faisceau d'une lampe de poche traverse une eau trouble.

Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Il traverse les vêtements, le papier et le plastique, mais est arrêté par l'eau et le métal. C'est pourquoi ces ondes sont utilisées dans les scanners de sécurité et pour le contrôle qualité des matériaux.

Un faisceau de lumière à polarisation circulaire tombe sur un cristal de pérovskite MAPbI3. Les électrons à l'intérieur du cristal se comportent comme de minuscules toupies dont les axes s'alignent le long du faisceau. Ce phénomène est appelé orientation optique des spins.

Une onde lumineuse ressemble à une foule où chaque personne agite un drapeau dans une direction différente. Pour que cette foule traverse un couloir étroit sans perdre son ordre, il faut des guides. Dans une fibre optique, le rôle de guide est joué par la polarisation — la direction stricte des oscillations de l'onde lumineuse.

Un ballon de football frappé avec effet ne suit pas une trajectoire rectiligne, mais incurve sa course sur le côté. C'est à peu près ce qui se passe avec un faisceau lumineux fortement focalisé : il commence à pousser l'atome non seulement vers l'avant, mais aussi sur le côté.

La lumière des galaxies lointaines traverse les lentilles d'un télescope comme à travers une pile de vitres. Chaque vitre est recouverte d'un film mince pour réduire les reflets. Mais ce film agit comme un filtre polarisant : une composante de l'onde lumineuse passe un peu plus facilement, l'autre un peu moins.

La lumière qui se propage dans une fibre optique ressemble à une foule dans un couloir étroit : chaque photon suit son propre chemin, et si les chemins se mélangent, le résultat à la sortie est brouillé.

Un trou noir ne se contente pas d'aspirer la matière — tel un vortex cosmique géant, il courbe le tissu même de la réalité et force les rayons lumineux à contourner sa masse, les concentrant en un foyer.

En 1976, le physicien canadien Bill Unruh posa une question simple : que voit un observateur qui accélère dans le vide ? La réponse s'avéra étrange : le vide cesse d'être vide. L'observateur accéléré baigne dans un rayonnement thermique dont la température est proportionnelle à l'accélération.