Quand la lumière est insensible à la microstructure du milieu


Que ce soit à travers un verre d’eau transparent, ou un verre de lait opaque, la longueur moyenne des chemins empruntés par la lumière reste la même. Ce résultat étonnant est le fruit de plusieurs années de recherches théoriques et expérimentales de chercheurs du laboratoire Kastler-Brossel (ENS/ UPMC / CNRS), de l’institut Langevin (ESPCI Paris / CNRS) et de l’université technique de Vienne. Leurs travaux font l’objet d’une publication dans la prestigieuse revue Science, et peuvent s’appliquer dans une multitude de scénarii de diffusion dans des milieux complexes.

On sait que la lumière, ou une onde en général, se propage en ligne droite dans un milieu homogène transparent. Si on perturbe le milieu, comme si on perturbe la surface de l’eau, la lumière est déviée. De même, les nuages, constitué de petites gouttelettes d’eau en suspension dans l’air, ont cet aspect laiteux car chaque gouttelette peut dévier ou diffuser la lumière. A faible concentration de gouttelettes, c’est une brume légère, à travers laquelle le regard perce. A forte concentration, le nuage apparaît dense et impénétrable. De même, un glaçon apparaît transparent car il est homogène, mais la neige, constituée pourtant du même élément, la glace, apparaît opaque car constituée de petits cristaux très hétérogènes. Cette relation extrêmement forte entre la micro-structure d’un matériau et ses propriétés optique est à la base d’un très large spectre de phénomènes et de dispositifs optiques, depuis les échanges thermiques dans l’atmosphère, les couleurs iridescentes des ailes de papillons, et le stockage de l’information dans un DVD, les télécommunications par fibre optique, ou encore pour les capteurs.

Dans le cadre d’une collaboration entre des équipes du laboratoire Kastler-Brossel, de l’institut Langevin et de l’université technique de Vienne, des chercheurs ont mis en évidence expérimentalement une nouvelle propriété de la lumière : il existe une quantité indépendante de la microstructure, la longueur moyenne du chemin optique dans un volume donné, c’est à dire le temps moyen que passe la lumière dans le milieu. Comme prédit très récemment dans un article théorique publié par les mêmes équipes, la longueur moyenne du chemin optique ne dépend en effet pas de la microstructure, mais uniquement de propriétés géométriques du système considéré, comme son volume et sa surface extérieure. Expérimentalement, les chercheurs ont réussi à mesurer les chemins optiques de la lumière traversant une cellule en verre contenant une solution de petites particules dans un liquide. En variant la concentration de particules de presque deux ordres de grandeur, le milieu passe de presque transparent comme de l’eau à très opaque comme du lait, et la distribution des chemins optiques varie également énormément. Néanmoins, la longueur moyenne des chemins mesurée, elle, est bien restée inchangée, vérifiant ainsi la prédiction théorique. Cette propriété, vérifiée ici pour un système désordonné, est en principe valable quel que soit l’hétérogénéité de la microstructure, forte ou faible, ordonnée ou désordonnée, à petite ou grande échelle.


Simulations de trajectoires pour la lumière dans des milieux allant de quasi transparents (où la lumière suit des trajectoires rectilignes) à très diffusant (où la lumière suit des trajectoires ressemblant plus à des marches aléatoires). Le résultat présenté ici, expérimentalement, et que la longueur moyenne des chemins pris par la lumière est le même pour tous ces milieux. (© Romolo Savo, Romain Pierrat)

Outre son intérêt d’un point de vue fondamental (une quantité invariante en physique étant toujours signe d’un phénomène très général et très profond), ce résultat, par sa généralité, impacte un très grand nombre de domaines en optique, et pour la physique en général puisqu’il est en fait valable pour tout type d’onde, et peut même être généralisé à d’autres phénomènes de diffusion et de transport (chaleur, particules) et même à la compréhension de phénomènes plus complexes modélisable physiquement, comme la diffusion de bactéries, les mouvements de foules, ou les flux financiers.

Référence

Observation of mean path length invariance in light-scattering media, Science,
Romolo Savo, Romain Pierrat, Ulysse Najar, Rémi Carminati, Stefan Rotter, et Sylvain Gigan
DOI : 10.1126/science.aan4054
https://arxiv.org/abs/1703.07114

Contact : Sylvain Gigan (sylvain.gigan (arobase) lkb.ens.fr), Rémi Carminati (remi.carminati (arobase) espci.fr)

Article dans Le Monde : http://www.lemonde.fr/sciences/article/2017/11/21/translucide-ou-transparent-la-lumiere-ne-voit-pas-la-difference_5218146_1650684.html

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