Tijdschalen uitrekken om extreme gebeurtenissen in de natuur te onderzoeken leek onmogelijk, toch is deze prestatie nu denkbaar dankzij een team van het Institut FEMTO-ST (CNRS/UFC/UTBM/ENSMM), die gebruikmaakte van een innovatieve meettechniek waarmee dergelijke gebeurtenissen in realtime konden worden vastgelegd. Deze techniek, die momenteel wordt toegepast op het gebied van fotonica, kan helpen bij het voorspellen van golfgebeurtenissen op het oceaanoppervlak, samen met andere extreme natuurverschijnselen. Dit onderzoek, die werd uitgevoerd in samenwerking met teams uit Finland, Ierland, en Canada, wordt gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 19 dec. 2016.

Instabiliteit en chaos in fysieke systemen zijn willekeurige natuurlijke fenomenen die over het algemeen zeer gevoelig zijn voor fluctuaties in beginomstandigheden, hoe klein ze ook zijn. Om deze complexe en alomtegenwoordige verschijnselen in de natuur te begrijpen, onderzoekers hebben onlangs experimenten uitgevoerd met de voortplanting van lichtgolven, en leidend tot de vorming van ultrasnelle pulsen op een tijdschaal van picoseconden (een miljoenste van een miljoenste van een seconde). De studie van dergelijke verschijnselen in de optica biedt het voordeel dat ze op zeer korte tijdschalen plaatsvindt, waardoor het mogelijk wordt een representatieve steekproef van gebeurtenissen te meten en de statistische eigenschappen ervan betrouwbaar te karakteriseren. Hoewel ze hebben bijgedragen tot een beter begrip van de dynamiek die verband houdt met extreme gebeurtenissen, tot nu toe zijn deze onderzoeken niettemin indirect uitgevoerd, vanwege de reactietijd van stroomdetectoren, die te traag zijn om deze zeldzame gebeurtenissen vast te leggen.

Recente experimenten uitgevoerd in het Institut Femto-ST in Besançon hebben het mogelijk gemaakt om deze beperking te overwinnen. Gebaseerd op het principe van een tijdlens, die de tijdschaal met een factor 100 verlengt terwijl de resolutie wordt verhoogd, deze nieuwe methode heeft onderzoekers in staat gesteld gigantische lichtpulsen in realtime waar te nemen, met een intensiteit 1, 000 keer groter dan die van de initiële schommelingen van de lichtbron, een laser. Om dit te doen, ze gebruikten een vlindereffect dat in de optica bekend staat als modulatie-instabiliteit, die de microscopische ruis vergroot die intrinsiek aanwezig is in een laserstraal die langs telecommunicatievezeloptica loopt.

De reikwijdte van deze resultaten gaat veel verder dan het gebied van fotonica, aangezien dit type achtergrondgeluid algemeen wordt beschouwd als een van de mogelijke mechanismen achter de destructieve schurkengolven die plotseling op het oppervlak van oceanen verschijnen, en wordt ook verondersteld aanwezig te zijn in andere systemen zoals plasmadynamica in het vroege heelal. Het vermogen om tijdschalen in de optica te verlengen, opent een nieuwe weg voor de verkenning en het begrip van talrijke natuurlijke systemen waarvoor het vrij moeilijk blijft om instabiliteiten direct te bestuderen, en daardoor betrouwbare statistische steekproeven te verkrijgen.