Réflexion de la lumière : on a mesuré le délai de Newton-Wigner

Lorsqu’un faisceau de lumière aborde l’interface séparant deux milieux transparents, il se divise en deux. Une part est réfractée en passant dans le second milieu, mais l'autre est réfléchie vers le premier. Parfois cette réflexion est totale, l'interface entre les deux milieux se comportant comme un miroir. Au XVIIe siècle, Newton remarque que dans ce cas, la lumière semble quitter le premier milieu sur une très courte distance avant de revenir en arrière. Le faisceau réfléchi est très légèrement décalé, et en retard par rapport à ce que prévoit l'optique géométrique. C'est ce délai, extrêmement court, qui vient d'être mesuré sans ambiguïté par des physiciens rennais en collaboration avec un collègue américain, avec des retombées pratiques importantes. Publication dans Nature Scientific Reports.

Laser rebondissant à travers un barreau de plexigals
  1. Introduction par Kamil Fadel, responsable de l'unité de physique du Palais de la Découverte (Universcience)
  2. Présentation scientifique
  3. Référence

Introduction par Kamil Fadel, responsable de l'unité de physique du Palais de la Découverte (Universcience)

Lorsqu’un faisceau de lumière aborde l’interface séparant deux milieux transparents, il se divise en deux. Une part quitte le premier milieu et passe dans le second avec changement de direction, c’est la réfraction. L’autre part est renvoyée dans le premier : il « rebondit » à l’interface avec un angle égal à l’angle d’incidence, c’est la réflexion.

Réflexion totale
Dans certaines conditions, la part réfractée peut être nulle,  l’interface jouant le rôle d’un miroir parfait. On parle alors de réflexion totale. Pour cela, deux conditions doivent être satisfaites. Premièrement, il faut que la lumière se propage moins vite dans le premier milieu (plus réfringent) que dans le second (moins réfringent), par exemple qu’elle passe du verre à l’air ou de l’eau à l’air (mais pas l’inverse). Deuxièmement, il faut que le faisceau aborde l’interface sous un angle (par rapport à la verticale) supérieur à un angle critique précis qui dépend du rapport des deux vitesses, c’est l’angle de réflexion totale. Pour l’interface eau-air, il vaut 49 degrés. On peut observer cet « effet miroir » en regardant de près l’interface eau-air depuis sous l’eau dans une piscine.

Cette « optique géométrique » était connue dès le XVIIe siècle, notamment par Snell et Descartes. Cependant, Newton remarque que lors de la réflexion totale, la lumière semble quitter le premier milieu sur une très courte distance avant de revenir en arrière. Tout se passe comme si la réflexion n’avait pas lieu à l’interface, mais un peu au-delà, dans le second milieu. De ce fait, le faisceau réfléchi est très légèrement décalé par rapport celui que prévoit l’optique géométrique, et il est également un petit peu en retard par rapport à lui.

Le décalage spatial a été mesuré en 1947 par Goos et Hänchen. Quant au décalage temporel, étudié théoriquement par Wigner en 1955 et appelé « délai de Newton-Wigner », extrêmement court (de l’ordre de 10-14 secondes)… il vient d’être mesuré sans ambiguïté à l'Université de Rennes 1, en collaboration avec l'Université de Rochester (NY, É.-U). Ce résultat constitue non seulement une avancée d’un point de vue fondamental, mais il présente aussi un immense intérêt pratique dans la mesure où il va permettre de mieux maîtriser la transmission par fibre optique où le signal se propage justement par de multiples réflexions totales.

Illustration de la réflexion totale

Présentation scientifique

Les délais de Newton-Wigner prévus par Newton aux interfaces et calculés par Wigner en 1955 existent pour tout type d’onde (ondes transverses pour la lumière, ondes longitudinales pour les sons et les séismes, ondes de De Broglie pour les particules comme les neutrons, les électrons, les atomes froids…).
Ces délais correspondent à des écarts aux lois de Descartes (optique géométrique) schématisés sur la figure 1 ci-dessous pour la lumière.

Figure 1

Bien que la première détection du délai de Newton-Wigner ait été réalisée à l’Université de Rennes 1 dès 2005, seul le délai pour la lumière a pu être détecté aujourd’hui car la méthode différentielle utilisée est complexe. La difficulté principale est due au fait que les "pulses" à observer se propagent sur des trajectoires décalées spatialement (voir figure 1 ci-dessus). Le problème est analogue à une course de 400 m sur un stade avec des coureurs devant rester dans des couloirs séparés. Ici c’est l’équivalent d’un 400 m à l’envers : les coureurs partent au niveau d’une ligne droite du stade, alignés sur la même ligne perpendiculaire à cette ligne droite. Il faudra alors orienter la ligne d’arrivée, avec le bon angle, pour qu’on soit sûr que tous les coureurs aient parcouru exactement la même distance à l’arrivée. Comme les photons partent tous du point A, il faut utiliser une « détection pivotante » avec la bonne orientation. Il faut aussi utiliser bien sûr des "pulses" très courts (10-13 s) fournis aujourd’hui par les lasers dits "femtosecondes". De plus la vibration lumineuse pouvant se faire dans un plan perpendiculaire (vibration TE) ou parallèle (vibration TM) au plan de la figure 1 ci-dessus, la ligne de détection est cruciale.

Pour mettre au point cette méthode nous avons d’abord amplifié les décalages et les délais par 161 réflexions dans un guide. Comme le montre la photo de la figure 2 ci-dessous, le décalage spatial peut alors atteindre 0,8 mm et être directement observable à l’œil nu.

Figure 2

Le délai reste petit (de l’ordre de 10-12 s), mais il est directement authentifiable et contrôlable par la détection pivotante et peut alors être mesuré en tenant compte des différents chemins optiques. De plus, des régimes curieux, comme le régime cyclique sont possibles, rendant les délais de Newton-Wigner accessibles.

La méthode ouvre de nombreuses perspectives car elle peut être étendue à tout type d’onde existant en physique et en particulier aux ondes de De Broglie associées aux particules comme les neutrons ou les atomes froids, très lents, pour la réflexion quantique. Curieusement, pour les atomes froids actuellement étudiés au Japon en particulier, les délais de Newton-Wigner peuvent être multipliés par 1 milliard comparés à ceux observés en optique. Par ailleurs les ondes évanescentes conduisent à des applications importantes, comme l’a montré le groupe de Jacques Lucas et Xiang Hua Zhang à l'Université de Rennes 1.

Référence

Dynamics and detection of the Newton-Wigner time delays at interfaces using a swivelling method
A. Le Floch, O. Emile, G. Ropars and G. P. Agrawal
Sci Rep. 2017; 7: 9083. doi: 10.1038/s41598-017-09502-9

Référence secondaire

Timing the total reflection of light
D. Chauvat, C. Bonnet, K. Dunseath, O. Emile et A. Le Floch
Physics Letters A, Vol. 336, Issues 4–5, 14 March 2005, Pages 271-273
Doi: 10.1016/j.physleta.2005.01.036