Natuurkundigen van de Universiteit van Lille, in samenwerking met de Universiteit van Ferrara in Italië, hebben een rivier in een optisch laboratorium gebracht... Ze hebben zojuist de breuk van een fotonenbarrière in een optische vezel waargenomen, een fenomeen dat direct vergelijkbaar is met het breken van een dam die in de bedding van een rivier is geplaatst.

Wij en onze collega's hebben gebruik gemaakt van de analogie tussen de voortplanting van golven in rivieren en de voortplanting van lichtpulsen in optische vezels om in detail de vorming van de zich ontvouwende golf te bestuderen die onmiddellijk volgt op het breken van een dam in een rivier. En dit, comfortabel en zonder risico geïnstalleerd in ons optisch laboratorium.

Druppels water in een optische vezel?

Het is meer dan een analogie:onder bepaalde voorwaarden, de vergelijkingen die de voortplanting van deze golven bepalen, zijn strikt identiek voor elk van deze media. Het is dus verrassend dat het gedrag van deze twee fysieke systemen, a priori totaal verschillend, identiek is. Preciezer, we hebben aangetoond dat de minuscule waterdruppels die achter de dam gevangen zitten, zich gedragen als lichtkorrels - de fotonen - van een laserstraal wanneer ze zich voortplanten in een optische vezel. We wijzen erop dat deze analogie meer dan tien jaar geleden werd gebruikt om de vorming van malafide golven te bestuderen.

De situatie die we hebben bestudeerd is totaal anders. Het is een dam geplaatst op de bedding van een rivier die plotseling breekt (niets te maken met een schurkengolf). Om de breuk van een dam in een optische vezel na te bootsen, Franse en Italiaanse natuurkundigen injecteerden in een vezel een laserstraal waarvan de variaties in intensiteit versus tijd overeenkomen met het verschil in waterniveaus stroomopwaarts en stroomafwaarts van de dam.

Om dit te doen, de laser wordt gedwongen een lichtflits uit te zenden in de vorm van een traptrede, het niveau van de stappen die overeenkomen met de helderheid van de laser. Een eerste stap, van zeer lage intensiteit gevolgd door een seconde van zeer sterke lichtintensiteit. De niveaus van lichtintensiteit zijn dan vergelijkbaar met de niveaus van water in de rivier. Het is belangrijk om te benadrukken dat om de correspondentie geldig te laten zijn, het essentieel is dat de overgang tussen deze twee stappen extreem snel is:gewoonlijk 20 picoseconden of 20 miljardste van een milliseconde, wat deze experimenten erg lastig maakt, zowel voor het genereren van de signalen als voor hun karakterisering. Er zijn hoogwaardige apparaten nodig om dit nauwkeurigheidsniveau te bereiken.

Trap pulsen

Tijdens de voortplanting in de optische vezel, het tijdelijke uiterlijk van de laserpuls, aanvankelijk in de trede van de trap, wordt gewijzigd omdat, aan de ene kant, nieuwe kleuren worden gegenereerd en, anderzijds, deze kleuren reizen niet met dezelfde snelheid. De plotselinge overgang tussen deze twee stappen evolueert geleidelijk en onlosmakelijk naar een soepelere overgang. De dam is gebroken! De zich ontvouwende golf leidt door het genereren van een schokgolf en een verdunningsgolf die de twee trappen met elkaar verbindt.

Deze twee golven zorgen voor de overgang tussen de twee intensiteitsniveaus in het laserframe, of beide waterniveaus in een dam in een rivier. Laten we benadrukken, Het is belangrijk, dat de reeks experimentele waarnemingen is gevalideerd door numerieke simulaties. Dit bevestigt dat het gebruikte model het fenomeen precies beschrijft en versterkt daarmee de kracht van de analogie.

Het belangrijkste verschil ligt in het feit dat in de optica, evolutie vindt plaats langs de vezellengte, overwegende dat in het geval van een rivier, de evolutieparameter is de tijd. Dus, om de vorming van de golf te volgen na het breken van een dam, het is noodzakelijk om de tijdelijke vorm van de laser vast te leggen voor verschillende vezellengtes, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding.

In tegenstelling tot het breken van een dam in een rivier, het experiment dat wordt uitgevoerd in een optisch laboratorium is risicovrij, herhaalbaar en de set parameters fijn afgesteld. Het is inderdaad heel gemakkelijk om de kracht van de laser te veranderen, de kleur of het type optische vezel. Dus, het is mogelijk om een ​​breed scala aan parameters te scannen om een ​​goed begrip van het fenomeen te krijgen (we gebruikten de FiberTech Rijsel tekentoren van het PHLAM-laboratorium, gevestigd in IRCICA om optische vezels te ontwikkelen en te produceren die voor dit experiment zijn geoptimaliseerd).

Wetenschappelijke benadering en perspectieven

Vanwege de formele analogie tussen deze twee domeinen, alle conclusies en interpretaties kunnen worden vertaald naar het geval van het doorbreken van een dam in een rivier. Dit werk vormt de eerste experimentele validatie van voorspellingen op basis van een gevierde theorie ontwikkeld door de wiskundige G.B. Whitham enkele decennia geleden en het experimentele systeem dat geïmplementeerd is, zal ons in staat stellen een meer algemeen probleem te bestuderen dat werd gesteld door de beroemde wiskundige Riemann in de negentiende eeuw.

Eindelijk, dit werk illustreert de benadering die natuurkundigen in het dagelijks leven volgen. Ze ontwikkelen de meest universele modellen die mogelijk zijn om te beschrijven en te voorspellen wat er in de natuur wordt waargenomen, door samen te werken met experts uit verschillende landen.

Het artikel is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters, getiteld "Dispersive Dam-Break Flow of a Photon Fluid."

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.