lumière polarisée

Un faisceau laser ressemble à un tourbillon rapide qui capture un instant un électron qui passe. Pendant que la particule traverse l'impulsion, son spin (la rotation propre, comme celle d'une petite toupie) subit une faible poussée.

Une maison aux murs de liège qui se recouvre soudain de plaques de cuivre — mais seulement quand le froid s'installe. C'est à peu près ce qui se passe avec le composé FeSb₂ lorsqu'on en fait un film de quelques couches atomiques d'épaisseur.

Pour scruter plus profondément la structure du monde, les physiciens accélèrent des électrons et les font entrer en collision. Un électron ordinaire ressemble à une toupie qui tourne dans tous les sens. Pour des expériences fines, il faut des particules dont toutes les toupies pointent dans la même direction – c'est ce qu'on appelle la polarisation.

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.

Un trou noir n'est pas simplement une silhouette sombre sur fond d'étoiles. Son ombre est entourée d'un fin anneau lumineux de photons qui tournent autour de l'horizon des événements avant de s'échapper vers l'observateur.

Dans un système binaire serré, une étoile chaude, tel un projecteur, éclaire son compagnon plus froid. Une partie de la lumière est diffusée par les électrons libres de son atmosphère — c'est la diffusion de Thomson — et acquiert une polarisation linéaire.

Sur un drap tendu court un pli solitaire — une dénivellation abrupte qui ne s'étale pas, mais se déplace comme un tout. Les physiciens appellent ce pli un « kink ». Si l'on tire brusquement sur le drap en un point, une ondulation se propage. Mais dans certains milieux, cette ondulation ne se disperse pas : elle se rassemble en une masse qui tremble sur place pendant des dizaines, voire des centaines de cycles.

Une toupie qui tourne si vite qu'elle fait vriller la lumière autour d'elle en spirales : voilà une image parlante de ce qui se passe à l'horizon d'un trou noir. Le plasma incandescent y tombe en émettant des ondes radio. Leur polarisation (c'est-à-dire le plan dans lequel oscille l'onde) devient une flèche qui indique la direction du flux d'énergie.

Imaginez un manège avec deux types de sièges : les uns tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, les autres dans le sens inverse. Si on pousse tous les sièges d'un coup, le manège tressaute mais reste sur place.

Une lampe de poche ordinaire éclaire aussi bien vers l'avant que vers l'arrière. Mais dans les cristaux magnétiques naît un axion — une excitation fantomatique, semblable à une vague qui parcourt un stade : les atomes se transmettent une impulsion magnétique.

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.

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.

Dans un morceau d'aimant ordinaire, tous les spins électroniques — ces minuscules aiguilles magnétiques — pointent dans la même direction. C'est un rang de soldats tournés vers leur commandant. Cet ordre est appelé antiferromagnétique colinéaire.

La lumière, comme une corde que l'on secoue, oscille dans un plan bien défini. Les astronomes et les ingénieurs font souvent pivoter une image à l'aide d'un système de trois miroirs — le fameux miroir en K — mais ce faisant, le plan d'oscillation de la lumière se retrouve lui aussi tourné, involontairement.

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.

Un laser classique ressemble à un orchestre dont les musiciens doivent s'échauffer avant de jouer à l'unisson. Il faut d'abord pomper assez d'énergie dans les atomes pour qu'ils se « retournent » et soient prêts à émettre de la lumière – c'est ce qu'on appelle l'inversion de population. Ce n'est qu'alors que le faisceau jaillit.

La lumière se comporte d'habitude comme un piéton sur une rue à double sens : le trajet de la lampe à la caméra est le même que dans l'autre sens. Mais pour un trou noir en rotation avec une symétrie spatiale brisée, cette rue devient à sens unique.

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.

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, en traversant un milieu trouble — par exemple un verre de lait ou du verre dépoli — se diffuse dans toutes les directions. Mais parfois, au lieu de se disperser, elle reste piégée dans de minuscules « poches » à l'intérieur du matériau. Ces poches, les physiciens les appellent des modes localisés : la lumière y tombe comme dans un piège et ne peut plus en sortir.

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.

Les photons intriqués sont deux messagers qui marchent au pas. Dans un matériau, leur synchronisation est perturbée. La nature de la perturbation révèle ce qu'ils ont rencontré : un embranchement qui a séparé leurs routes, ou un manège magnétique qui a tordu leur foulée. C'est ainsi que fonctionne la méthode BELS.

La lumière d'un laser, c'est comme une rangée parfaitement alignée de soldats lors d'une parade : toutes les ondes oscillent dans un même plan. On dit d'une telle lumière qu'elle est polarisée.

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.

Jetez une poignée de cailloux dans un étang : les cercles qui se propagent se croisent, créant des remous et des accalmies. C'est à peu près ce que font les ondes gravitationnelles, prédites par Einstein. Seulement, ce n'est pas l'eau qui oscille, mais l'espace-temps lui-même.

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.

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.

Deux photons sortent d'une petite boîte — et se comportent comme des jumeaux toujours habillés à l'identique. Tournez l'un, l'autre tourne aussitôt de la même façon, même si on les sépare de plusieurs kilomètres. Ce n'est pas un tour de magie, mais de l'intrication quantique : une connexion entre particules qui ne dépend pas de la distance.

Une lampe de poche dans un épais brouillard ne sert à rien : le faisceau se disperse et la lumière réfléchie se noie dans les interférences. Mais si l'on relie deux photons par un fil invisible, l'un d'eux peut traverser le brouillard et revenir, tandis que l'autre reste en sécurité.

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.

Le fond diffus cosmologique est une faible lueur qui subsiste après le Big Bang, comme la trace d'un feu qui se refroidit. Il renferme le code des ondes gravitationnelles qui ont pu naître dans les premières fractions de seconde, lorsque l'Univers s'est gonflé plus vite que la lumière.

La lumière qui traverse une fibre optique ressemble à un coureur dans un couloir étroit : il peut courir droit ou zigzaguer d'un côté à l'autre. La direction de ces « zigzags » est la polarisation.

Deux photons, comme les deux faces d'une même pièce, s'éloignent sur des dizaines de kilomètres mais restent liés : mesurez l'un, vous connaissez instantanément l'état de l'autre. Cette propriété s'appelle l'intrication, et elle est à la base de la communication quantique.

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.

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.

Des scientifiques ont décrit un nouveau type d'étoile invisible qui se comporte comme une lentille respirante. Cette étoile est composée de bosons ultralégers (des particules pas encore découvertes). Son attraction provoque la courbure de l'espace-temps — c'est cela la lentille, qui se dilate et se contracte rythmiquement, comme si elle respirait.

Dans un aimant ordinaire, tous les spins des électrons (les petites « flèches » magnétiques internes, découvertes par Wolfgang Pauli) pointent dans la même direction. Les altermagnets, comme le MnTe, sont plus complexes : l'orientation de ces flèches alterne, telle une ondulation à la surface de l'eau après qu'on y a jeté une pierre.

La lumière traversant un cristal biréfringent change de polarisation en fonction de la longueur d'onde. Ce profil est comme une mosaïque assemblée à partir de rares éclats de lumière, où chaque fragment suggère la forme de ses voisins.