La lumière peut-elle tourbillonner comme un tourbillon ? Des scientifiques de l'Université de Varsovie, de l'Université de Technologie Militaire et de l'Institut Pascal CNRS ont répondu par un « oui » retentissant, créant des « tornades optiques » tourbillonnantes à l'intérieur d'une structure extrêmement petite. Cette avancée ouvre la voie à une nouvelle méthode de construction de sources lumineuses miniatures aux formes complexes, ce qui pourrait permettre de concevoir des dispositifs photoniques plus simples et plus évolutifs pour la communication optique et les technologies quantiques.
« Notre solution combine plusieurs domaines de la physique, de la mécanique quantique à l'ingénierie des matériaux, en passant par l'optique et la physique du solide », explique le professeur Jacek Szczytko de l'Université de Varsovie, chef du groupe de recherche. « L'inspiration est venue de systèmes connus en physique atomique, où les électrons peuvent occuper différents états d'énergie. En photonique, un rôle similaire est joué par les pièges optiques, qui confinent la lumière au lieu des électrons. » Le Dr Marcin Muszyński, premier auteur de l'étude de l'Université de Varsovie et du City College de New York, ajoute : « On peut le considérer comme un vortex optique. L'onde lumineuse tourne autour de son axe et sa phase change en spirale. De plus, même la polarisation – la direction d'oscillation du champ électrique – commence à tourner. »
Ces états lumineux structurés sont intéressants pour des applications comme la communication quantique et le contrôle d'objets microscopiques, mais leur production nécessitait généralement des nanostructures compliquées ou de grands systèmes expérimentaux. L'équipe a choisi une stratégie différente, utilisant un cristal liquide – un matériau qui s'écoule comme un liquide mais dont les molécules s'organisent de manière ordonnée, comme un cristal. Au sein de ce matériau, des défauts spéciaux appelés torons peuvent se former. « On peut les imaginer comme des spirales étroitement torsadées, semblables à l'ADN », explique Joanna Mędrzycka, étudiante en nanotechnologie à l'Université de Varsovie qui, avec le Dr Eva Oton de l'Université de Technologie Militaire, a préparé les échantillons de cristal liquide. « Si une telle spirale est fermée en reliant ses extrémités pour former un anneau ressemblant à un donut, on obtient un toron. »
Pour renforcer l'effet, le toron a été placé à l'intérieur d'une microcavité optique – une structure de miroirs qui réfléchit la lumière à plusieurs reprises et la maintient confinée. « Cela rend le champ beaucoup plus fort », explique le Dr Muszyński. « De plus, nous pouvons contrôler la taille du piège, et donc les propriétés de la lumière, en utilisant une tension électrique externe. » L'équipe a également réalisé quelque chose de nouveau : des vortex lumineux stables dans l'état fondamental, l'état de plus basse énergie. « Pour la première fois, nous avons réussi à obtenir cet effet dans l'état fondamental », explique le professeur Guillaume Malpuech de l'Université Clermont Auvergne et du CNRS, qui a développé le modèle théorique avec le professeur Dmitry Solnyshkov et le post-doctorant Daniil Bobylev. « C'est important car l'état fondamental est le plus stable et le plus facile pour accumuler de l'énergie. » Pour confirmer l'effet laser, les chercheurs ont introduit un colorant laser, obtenant une lumière qui tourne, est cohérente et possède une énergie et une direction d'émission bien définies.
Le professeur Dmitry Solnyshkov note : « Il est intéressant que notre approche s'inspire de théories très avancées impliquant une soi-disant charge vectorielle. D'une certaine manière, nous avons réussi à faire en sorte que les photons se comportent non pas comme des électrons, mais comme des quarks. » Le professeur Wiktor Piecek de l'Université de Technologie Militaire conclut : « Cette découverte ouvre une nouvelle voie pour créer des sources lumineuses miniatures avec des structures complexes. Au lieu de dépendre de nanotechnologies complexes, nous pouvons utiliser des matériaux auto-organisés. À l'avenir, cela pourrait permettre des dispositifs photoniques plus simples et plus évolutifs, par exemple pour la communication optique ou les technologies quantiques. »