La lumière naturelle est composée d'ondes électromagnétiques dont le champ électrique peut osciller dans n'importe quelle direction.
Dans certaines circonstances, la lumière peut être polarisée linéairement ou circulairement.
- Toutes les ondes oscillent suivant une même direction (polarisation linéaire).
- La direction d'oscillation de toutes les ondes tourne dans un sens ou dans l'autre (polarisation circulaire droite ou gauche).
Les physiciens associent à la polarisation circulaire de la lumière un moment angulaire de spin (MAS) porté par les photons et valant ± ℏ.
Un front d'onde en hélice
Or il existe une lumière à la topologie exotique, de section annulaire, qui évolue de manière plus complexe dans l'espace que la lumière classique. Alors que celle-ci se propage avec un front d'onde plan ou sphérique – quand elle converge vers un point focal ou diverge à partir de ce point – cette lumière atypique présente un front d'onde hélicoïdal. Les photons d'une onde possédant cette polarisation hélicoïdale portent un moment angulaire orbital (MAO) pouvant également prendre les valeurs ± ℏ.
Dans des travaux précédents, des chercheurs de l'Iramis ont montré que ce moment angulaire orbital porté par un champ électromagnétique intense peut être transféré aux harmoniques lumineuses d'ordre élevé générées par des effets fortement non linéaires. Le MAO porté par les harmoniques (d'ordre n) est alors proportionnel à leur ordre (± nℏ).
Encore plus étonnant…
Dans l'étude actuelle, les scientifiques s'intéressent à une lumière encore plus étonnante qui combine les deux types de moment angulaire MAS et MAO en les intriquant. Il en résulte une lumière associée à un « moment angulaire généralisé » (MAG) qui prend des valeurs demi-entières ± ℏ/2 (MAG étant égal à MAO + ½ MAS).
Dans l'installation ATTOLab de l'Iramis (LIDYL), les chercheurs sont parvenus à produire des faisceaux laser infrarouges, porteurs d'un MAG de ℏ/2 qui possèdent une structure de polarisation en ruban de Möbius. Ils les ont utilisés pour engendrer des harmoniques lumineuses d'ordre élevé.
- Le moment angulaire fractionnaire du faisceau fondamental est transféré aux harmoniques dans l'extrême ultraviolet.
- La structure en ruban de Möbius est préservée lors de la génération d'harmoniques.
- Les photons de l'harmonique d'ordre q portent un MAG qℏ/2 et leurs MAO et MAS sont intriqués.
Au-delà des liens établis entre optique quantique et optique extrêmement non linéaire, ces résultats ouvrent la voie à de nouvelles méthodes d'ingénierie du moment angulaire et ainsi, à de nouvelles spectroscopies : accès à des états spécifiques selon de nouvelles règles de sélection, études de molécules chirales…