Superfluid Motion of Light

Un supraconducteur est un matériau sans résistance électrique ; un superfluide exprime l’absence de viscosité d’un fluide neutre. Ces deux propriétés, fortement reliées, figurent parmi les manifestations les plus spectaculaires de la nature quantique de la matière. Elles ont déjà été observées expérimentalement dans plusieurs systèmes, comme par exemple le mercure (pour la première fois en 1911), l’hélium liquide et, plus récemment, les gaz dilués d'atomes ultrafroids.

Ces propriétés sont à la base de nombreuses applications, comme les électro-aimants supraconducteurs, qu’on retrouve par exemple dans l’imagerie médicale, ou bien dans les trains à sustentation électromagnétique. Un facteur limitant leur développement est celui des faibles températures nécessaires à leur manifestation.

Un autre système, extrêmement prometteur en terme d’applications, est celui de la lumière, qui peut être considérée, d’un point de vue quantique, comme un fluide de photons. C'est en étudiant la propagation, à température ambiante, d'un faisceau laser à travers un cristal non-linéaire, que deux physiciens d'Orsay ont mis en évidence, d’un point de vue théorique, l’existence d’une dynamique superfluide dans la propagation de la lumière. Ils ont démontré la présence d’un régime dans lequel la lumière est capable de se propager à travers un milieu sans être diffusée par des éventuels obstacles présents.

Une réalisation expérimentale possible, basée sur la propagation de la lumière à travers un cristal photonique, permettrait d’observer cet effet. Aussi, le mécanisme responsable de la disparition du régime superfluide a été identifié. Il est relié à des fluctuations de faible amplitude de la lumière, ainsi qu’à des variations fortes très localisées dans l’espace (solitons) qui sont produites lors du passage de la lumière à travers un obstacle. A plus long terme, ce travail ouvre de nouvelles perspectives concernant la réalisation d'un superfluide à température ambiante, avec d'éventuelles applications dans l'optimisation du transport d'information, ou plus généralement le contrôle de la propagation signaux lumineux.

superfluid

Intensité lumineuse oscillant autour d'un obstacle :
A gauche: l'obstacle (ligne horizontale rouge) ne perturbe en rien la propagation lumineuse. C'est le régime Superfluide.
A droite: La présence de l'obstacle entraîne l'émission de solitons et rapidement, la destruction du faisceau. C'est le régime Turbulent

See P. Leboeuf and S. Moulieras, Phys. Rev. Lett. 105, 163904 (2010) or arXiv:1009.2904