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La percée du vortex laser torsadé pourrait conduire à une bande passante presque infinie, une nouvelle science

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Les scientifiques du Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) ont mis au point une nouvelle façon de créer des faisceaux laser torsadés – des vortex optiques – pour transporter de vastes quantités quasi infinies de données sur la fibre optique, découvrir des exoplanètes, etc. La technologie de vortex optique du SLAC est beaucoup plus avancée que les tentatives précédentes de création et de transmission de lumière torsadée, permettant des impulsions plus courtes, des intensités plus élevées et des longueurs d’onde beaucoup plus larges, y compris les rayons X. Ces faisceaux laser torsadés sont d’une si haute fidélité qu’ils ouvrent en fait de nouveaux domaines scientifiques inconnus ; la technologie est tellement en avance sur la demande que les scientifiques ne savent pas vraiment à quoi ils peuvent l’utiliser.

La lumière tordue – et les ondes radio tordues, qui sont la même chose mais à une fréquence plus basse – comme nous l’avons déjà couvert, sont incroyablement excitantes car elles voyagent en trois dimensions plutôt qu’en deux. Actuellement, lorsque la lumière parcourt un câble à fibre optique entre les centres de données, ou qu’un signal Wi-Fi ou radio cellulaire atteint votre smartphone, il se déplace en seulement deux dimensions : le signal est, par essence, plat. Jusqu’à présent, cette méthode a fourni suffisamment de bande passante pour nos besoins, mais à mesure que notre soif de données augmente et que le spectre électromagnétique devient de plus en plus encombré, la recherche sur la radio tridimensionnelle et la transmission laser s’est accélérée.

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En termes techniques, le rayonnement électromagnétique – radio, micro-ondes, lumière visible, rayons X – peut avoir deux types de spin : le moment angulaire de spin (SAM) et le moment angulaire orbital (OAM). Si vous imaginez la Terre tourner sur son axe, c’est SAM ; si vous imaginez comment la Terre tourne autour du Soleil, c’est OAM. Actuellement, nous modifions uniquement SAM – mais en utilisant diverses méthodes, nous pouvons également induire OAM. Sans transformer cela en une sorte de test de QI visuospatial, croyez-moi quand je dis que l’application à la fois du SAM et de l’OAM fait voler le rayonnement dans l’air sous la forme d’un tire-bouchon.

Configuration accélérateur linéaire/faisceau d'électrons/lumière torsadée du SLAC

Configuration accélérateur linéaire/faisceau d’électrons/lumière torsadée du SLAC

L’avantage d’utiliser trois dimensions est que vous pouvez essentiellement transmettre un nombre illimité de signaux dans un espace donné. Imaginez un signal de tire-bouchon, puis un autre derrière lui, décalé d’une fraction de millimètre seulement – puis un flux presque infini de signaux supplémentaires après cela. Vous ne pouvez presser qu’un petit nombre de signaux bidimensionnels dans le même plan, en utilisant une variété de techniques de modulation, avant que les collisions ne se produisent.

Antenne "vortex" à moment cinétique orbital

Auparavant, nous avons écrit sur des moyens très rudimentaires d’induire l’OAM, tels que les réseaux ou tordre physiquement l’antenne (photo de droite). Le SLAC, cependant, a utilisé une méthode incroyablement avancée qui se prête à des applications très précises, performantes et de haute précision. Si vous pouvez regarder la vidéo intégrée ci-dessus, ce serait le moment, car elle explique assez succinctement la méthode de SLAC. Fondamentalement, en utilisant le Next Linear Collider Test Accelerator (NLCTA), des faisceaux d’électrons de haute puissance sont forcés à traverser un onduleur – une chicane d’aimants qui provoque la formation des électrons en une spirale hélicoïdale. Ils ont ensuite heurté un deuxième onduleur, les faisant se tortiller et émettre de la lumière.

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Le résultat final est de petits groupes d’électrons qui émettent une lumière laser torsadée (photo du haut). Selon les chercheurs, cette méthode peut être utilisée pour produire des transmissions dans la gamme des rayons X durs – des ondes extrêmement puissantes (100 keV) et incroyablement denses (100 picomètres). La même méthode pourrait facilement être utilisée pour produire des signaux infrarouges torsadés pour une transmission par fibre optique à bande passante ultra-élevée ou pour des liaisons lumineuses laser torsadées en espace libre. Les chercheurs du SLAC vont maintenant se concentrer sur la torsion de différents types de lumière et de rayonnement électromagnétique – et, curieusement, essayer de découvrir ce qu’ils peuvent réellement faire avec ces nouveaux faisceaux torsadés. L’application évidente est la création de protocoles commerciaux basés sur l’OAM, mais les chercheurs semblent convaincus que leur technologie est si avancée qu’elle peut ouvrir des domaines scientifiques et de recherche entièrement nouveaux.

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Document de recherche: doi:10.1038/nphys2712 – « Tourbillons optiques cohérents à partir de faisceaux d’électrons relativistes »

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