La mécanique quantique nous apprend que les photons – ces grains de lumière – sont des bosons, c'est-à-dire des particules avec un spin entier, contrairement aux grains de matière que sont électrons, quarks et neutrinos (il s'agit quant à eux de fermions avec un spin demi-entier). Pourtant, comme viennent de le montrer des chercheurs, dans certaines situations, les photons peuvent posséder également un moment cinétique demi-entier… toujours selon les lois de la physique quantique.
Des chercheurs irlandais viennent de mettre en évidence une nouvelle forme de lumière. Ici, un laser à hélium-néon semblable à celui qui leur a permis de vérifier une prédiction de la mécanique quantique datant des années 1980. © noomoahk, CC by 3.0
Depuis les travaux de Fresnel, et plus encore ceux de Maxwell et Hertz, on sait que la lumière peut être considérée comme une onde qui oscille transversalement à sa direction de propagation. Cela implique qu'elle peut être polarisée. En effet, perpendiculairement à la direction de propagation d’un rayon lumineux, il existe un vecteur champ électrique que l’on peut considérer comme une flèche ; il peut, par exemple, tourner selon deux sens en gardant son extrémité sur un cercle. On parle alors de polarisation circulaire car l’onde ferait tourner une charge électrique la dotant d’un moment cinétique.
Dans le cadre de la théorie quantique de la lumière, on peut associer ce vecteur au moment cinétique des photons de l’onde de lumière à une fréquence donnée. C’est d’ailleurs pour cette raison que l’on parle de la polarisation d’un photon.
Ce moment cinétique propre à un grain de lumière s’appelle aussi le spin. En l’occurrence, il ne peut prendre comme valeur qu’un multiple entier de la fameuse constante de Planck, plus précisément 1. Pour l’onde de matière d’un électron, ce spin serait demi-entier, plus exactement ½ dans la même unité.
William Rowan Hamilton (1805-1865) est l'un des plus grands mathématiciens. Découvreur des quaternions, il a aussi posé les bases mathématiques d'une théorie de la lumière et de la mécanique qui ont permis à Schrödinger de découvrir sa célèbre équation en mécanique ondulatoire. © via Wikipédia, DP
Un moment cinétique propre et un moment orbital pour les photons
Cependant, il existe une autre façon pour un champ électromagnétique de transporter du moment cinétique. Avec le premier mode (celui reposant sur la polarisation), le front d’onde accompagnant la propagation selon un rayon lumineux reste fixe par rapport à sa direction de propagation. Un second mode existe où le front est en quelque sorte en rotation par rapport à la direction de propagation.
Si l’on considère un rayon lumineux un peu comme un jet d’eau en rotation mais se propageant normalement de façon rectiligne, c’est un peu comme si le second mode de transfert du moment cinétique était associé à la propagation d’un rayon qui serait tordu et en spirale comme un tire-bouchon. On parle alors d’onde portant un moment angulaire orbital (OAM pour Orbital Angular Momentum, en anglais). Une autre analogie peut aider à comprendre ces distinctions entre les différentes façons pour une onde d’avoir un moment cinétique : celui de la Terre en rotation peut être appelé son spin, comme pour un photon, alors que le mouvement de révolution de la Terre autour du soleil lui confère un moment angulaire orbital.
Un groupe de chercheurs du Trinity College, à Dublin, a examiné de plus près cette décomposition possible du moment cinétique total de la lumière en spin et moment angulaire orbital dans le cadre de la théorie quantique. Les physiciens expliquent leurs travaux dans un article paru dans Science.
Ils se sont appuyés sur une découverte des années 1830 faite par le grand mathématicien irlandais William Rowan Hamilton alors qu’il travaillait sur la théorie de la lumière et ses connexions avec la mécanique des particules. Des décennies plus tard, son compatriote, le physicien Humphrey Lloyd, vérifia expérimentalement sa théorie de la réfraction conique concernant la façon dont la lumière est courbée lors d'un passage à travers un cristal biaxial. Cela revient à produire une sorte d’onde OAM.
À présent, grâce au laser, ce phénomène vient de permettre aux physiciens de montrer que tout se passe comme si les photons n’avaient plus un spin entier mais un spin demi-entier en jouant sur la composante du moment cinétique orbital de la lumière laser. L’effet avait été prédit dès les années 1980 mais c’est la première fois que son existence est prouvée.
Laurent Sacco, Futura-Sciences
