Le principe de la poussée optique est de déplacer un objet à distance. Ce concept est largement utilisé dans les films de science-fiction. Il existe aussi dans la réalité… mais à très petite échelle. Des dispositifs tels que des pinces optiques peuvent, par exemple, manipuler des particules microscopiques à l’aide de lasers. Aujourd’hui, des chercheurs affirment avoir réussi à créer un faisceau tracteur capable de déplacer des objets macroscopiques.
La lumière contient de l’énergie et de la quantité de mouvement qui peuvent être utilisées pour diverses manipulations optiques telles que la lévitation et la rotation. Ainsi, depuis une dizaine d’années, l’attraction optique des micro- et nano-objets (cellules, atomes, nanoparticules…) a été maintes fois démontrée. Il est encore aujourd’hui souvent utilisé en biologie et en nanotechnologie. En revanche, la poussée optique d’un objet macroscopique est beaucoup plus difficile à mettre en oeuvre, car elle nécessite évidemment beaucoup plus de puissance.
Une équipe de l’Université des sciences et technologies de Qingdao, en Chine, annonce avoir obtenu ce succès et présente son faisceau tracteur dans Optics Express. « Dans des études précédentes, la force d’attraction de la lumière était trop faible pour tirer sur un objet macroscopique. Avec notre nouvelle approche, la force de traction est beaucoup plus grande. En fait, c’est plus de trois ordres de grandeur supérieur à la pression lumineuse utilisée pour entraîner une voile solaire, qui utilise l’élan des photons pour créer une petite force de poussée », a déclaré Lei Wang, premier auteur de l’étude.
Les chercheurs montrent que la lumière laser peut être utilisée pour attirer un objet macroscopique vers lui-même. © L. Wang et al.
Possibilité de déplacer des véhicules vers Mars
Le faisceau tracteur développé par Wang et ses collaborateurs a réussi à déplacer un objet composite à base de graphène et de silice (SiO2) : la couche avant était en graphène réticulé et la couche arrière en SiO2. Ce matériau a été utilisé dans un pendule de torsion, avec lequel les chercheurs ont pu mettre en évidence le phénomène de poussée laser d’une manière visible à l’œil nu. Ils ont également utilisé un pendule gravitationnel pour mesurer quantitativement la force d’attraction du laser ; les deux appareils mesuraient environ cinq centimètres de long.
(A) Le laser frappe l’échantillon de matériau composite et le chauffe : cela éloigne le matériau de la lumière. (B) Ici le matériau est recouvert d’une couche transparente à faible conductivité thermique (jaune) : dans ce cas, une force de traction est générée. (C) Schéma fonctionnel d’un dispositif à pendule de torsion : matériau composite fixé à l’extrémité du bras du pendule. © L. Wang et al.
Lorsqu’un objet est irradié par un faisceau laser, les molécules de gaz situées à l’arrière de l’objet reçoivent plus d’énergie et, par conséquent, « poussent » l’objet vers la source lumineuse. Cet effet, combiné à la faible pression (5 Pa) de l’environnement dans lequel l’expérience a été réalisée, provoque le déplacement de l’objet. La force de traction (0,8 µN) dépassait significativement la pression de rayonnement (environ 0,28 nN) ; il peut également être ajusté en modifiant la puissance du laser.
(AC) Dimensions du pendule à gravité et détails des matériaux. (D) Photographie du pendule sans poussée laser. (E) Photographie du pendule sous propulsion laser à 488 nm et 85 mW. Le déplacement observé est d’environ 2,5 mm et la force de poussée laser correspondante est estimée à 0,8 µN. © L. Wang et al.
Cependant, il convient de noter que l’objet composite a été spécifiquement conçu pour l’expérience et qu’elle s’est déroulée dans des conditions de laboratoire très particulières (à basse pression atmosphérique).
Si l’efficacité de ce faisceau tracteur sur Terre est actuellement compromise, il pourrait néanmoins s’avérer utile sur d’autres planètes : « L’environnement de gaz raréfié que nous avons utilisé pour démontrer la technique est similaire à celui trouvé sur Mars. Il pourrait donc avoir le potentiel de conduire des véhicules ou des avions sur Mars », explique Wang.
Une technique encore à améliorer
Les chercheurs notent que de nombreux aspects de la technique doivent encore être améliorés avant de pouvoir être réellement utilisés. Tout d’abord, l’équipe doit faire fonctionner son faisceau tracteur sur une plage de pression atmosphérique plus large. De plus, il est important de créer un modèle théorique pour prédire avec précision la force d’attraction laser en fonction de divers paramètres (tels que la géométrie de l’objet, l’énergie laser et l’environnement).
En attendant, leur étude est une preuve convaincante de faisabilité. « Notre travail démontre qu’un contrôle flexible d’un objet macroscopique avec de la lumière est réalisable lorsque les interactions entre la lumière, l’objet et l’environnement sont soigneusement contrôlées », a déclaré Wang. L’étude a également mis en évidence la complexité des interactions laser-matière et le fait que de nombreux phénomènes sont encore loin d’être pleinement compris, tant au niveau macro qu’au niveau micro, ajoute-t-il.
À savoir, la NASA elle-même a déjà envisagé d’utiliser des rayons tracteurs pour collecter des échantillons martiens, explique Universe Today. Le rover Curiosity est équipé d’un instrument d’analyse spectroscopique par ablation laser, ChemCam : un laser vaporise la roche, puis le plasma résultant est analysé à distance par spectroscopie. Cependant, si le faisceau tracteur pouvait attirer les particules de régolithe directement dans le rover, une analyse beaucoup plus complète pourrait être effectuée.
De même, ces faisceaux peuvent être utilisés pour collecter des particules provenant de queues de comètes, de nuages dans l’atmosphère terrestre ou d’autres planètes. Ainsi, ce concept a des implications importantes pour l’exploration spatiale.
L. Wang et al., Optics Express.
Grand fan de mangas et d’animes, je n’aime bien écrire qu’à propos de ses sujets, c’est pour ca que j’écris pour 5 minutes d’actus. Au quotidien de décortique, donne mes avis sur les différents épisodes et chapitres des mangas que j’aime lire.
