Publiées récemment, ces expériences menées par des équipes internationales ouvrent de nouvelles voies pour le comportement de la matière active, des fluides quantiques et de l’optique non linéaire.
Des milliers de particules en déséquilibre au Japon
Dans une étude publiée dans la revue Physical Review Letters, des physiciens japonais ont soumis un ensemble de plus de 10 000 particules microscopiques à un champ électrique alternatif. L’expérience, réalisée en suspendant des particules colloïdales dans de l’eau entre des électrodes spécialement conçues, a permis de faire échapper ces éléments à la réciprocité classique pendant une heure entière.
La troisième loi de Newton énonce que toute action entraîne une réaction égale et opposée. Dans ce dispositif, les particules plus grandes ont développé un flux électrique plus fort qui a attiré les plus petites, créant ainsi un déséquilibre dynamique. Les particules se sont alors mises à former des paires et à se poursuivre mutuellement dans le liquide sans fusionner définitivement.
Yutaka Sumino a déclaré que cette recherche démontre que la rupture de la symétrie action-réaction est un principe fondamental qui génère de nouveaux mouvements collectifs et l’auto-organisation de la matière. Yutaka Sumino, co-auteur de l’étude et physicien à l’Université des sciences de Tokyo au Japon, via Gizmodo
Une simulation mathématique par partenaire fictif en Allemagne
Pendant que les équipes expérimentales observaient ces comportements dans l’eau ou dans des cristaux, des théoriciens ont cherché à résoudre le problème de modélisation posé par ces interactions non réciproques. Les systèmes où l’influence ne circule que dans un seul sens — comme le vol coordonné des étourneaux dans une murmuration où l’oiseau ignore son voisin arrière — mettent traditionnellement en échec les outils habituels de la mécanique.
Pour contourner cette difficulté, des chercheurs du Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems à Dresde ont élaboré une méthode mathématique publiée dans Nature Physics. L’approche consiste à introduire un partenaire fictif pour chaque élément réel du système.
Whatever we normally teach our students in theoretical mechanics, it ultimately rests on the action–reaction principle. Marin Bukov, chercheur au Max Planck Institute for the Physics of Complex Systems à Dresde, via Scienceblog
En associant chaque composant à un jumeau mathématique antiparallèle, les scientifiques parviennent à reproduire les couplages unilatéraux sous forme d’interactions parfaitement réciproques avec ces entités fantômes.
The trick behind the new theory is that it constructs a partner for each component of the system — a fictitious partner that doesn’t exist in nature. The original non-reciprocal interactions are replaced by reciprocal interactions with these auxiliary degrees of freedom. Ricard Alert, biophysicien, via Scienceblog
Un courant de lumière qui remonte le flux en Chine
À l’Université de Nankai en Chine, une autre équipe a transposé ces principes non réciproques dans le domaine de l’optique. En guidant deux faisceaux laser à travers un cristal non linéaire pour simuler un fluide quantique, les chercheurs ont observé un faisceau étroit se déplacer à l’contre-courant d’un faisceau plus large servant de fluide porteur.
L’expérience, décrite dans Physical Review A, montre que l’ajustement de l’interaction entre les deux faisceaux engendre une force effective pointant à l’opposé du mouvement global. Le faisceau le plus étroit progresse ainsi vers l’amont sans aucun système de propulsion propre.
Yi Hu a indiqué que, selon lui, le principal enseignement à retenir est qu’un comportement actif ne nécessite pas nécessairement une particule ou un nageur intrinsèquement actif. Yi Hu, physicien à l’Université de Nankai et auteur de l’étude, via Zmescience
Cette approche se distingue d’expériences antérieures menées plus tôt dans l’année par d’autres laboratoires, où la progression vers l’amont nécessitait l’émission de tourbillons quantiques secondaires. Mathias Albert, physicien à l’Université Côte d’Azur, note que ces travaux rejoignent un domaine de recherche très actif sur l’interaction entre matière active, fluides quantiques et systèmes photoniques.
L’équipe de l’Université de Nankai envisage désormais de concevoir des dispositifs plus complexes impliquant plusieurs faisceaux en interaction simultanée, avec l’ambition de maîtriser le transport de signaux dans de futurs composants photoniques et quantiques.