Comment construire un laser à trou noir

L'une des découvertes les plus fascinantes de la physique théorique ces dernières années est l'analogie mathématique formelle entre la façon dont l'espace-temps et certains matériaux affectent la lumière.

Les physiciens ont utilisé cette idée pour montrer comment construire des trous noirs à l'aide de soi-disant métamatériaux qui orientent la lumière de manière exotique. En effet, les physiciens chinois ont construit un tel trou noir artificiel en 2009.

L'analogie peut être poussée encore plus loin. Il est non seulement possible de créer des trous noirs de cette manière, mais aussi leurs équivalents à temps inversé, les trous blancs. De plus, ces deux trous blancs et noirs devraient produire un rayonnement de Hawking. Il s'agit de l'émission spontanée de rayonnement au point de non-retour d'un trou, appelé son horizon des événements.

Cette émission spontanée de rayonnement est un phénomène curieux et complexe. Personne n'a observé le rayonnement de Hawking provenant des trous noirs astrophysiques ou de ceux en laboratoire (bien qu'il y ait une ou deux affirmations actuellement en débat). Mais peu de physiciens doutent de son existence.

Donc, si le rayonnement de Hawking existe vraiment, que pourrions-nous en faire ? Aujourd'hui, nous obtenons une réponse de Daniele Faccio de l'université Heriot-Watt en Écosse et de quelques copains. Ces gars expliquent comment utiliser cette émission spontanée de rayonnement pour fabriquer un laser.

Leur idée est de créer un trou noir à côté d'un trou blanc de sorte que leurs horizons d'événements soient séparés de quelques centaines de micromètres et créent une petite cavité. Ensuite, ils montrent que lorsque la lumière est tirée dans cette cavité, elle est réfléchie de l'horizon du trou blanc sur l'horizon du trou noir, de nouveau vers le blanc et ainsi de suite.

Faccio et co poursuivent en montrant que lors de chaque réflexion, le rayonnement de Hawking s'ajoute effectivement au faisceau, l'amplifiant ainsi. Ils disent que ce processus additif est logarithmique, donc une petite graine de lumière finit par produire un faisceau de rayonnement intense.

Leur véritable triomphe, cependant, est de montrer comment un tel appareil pourrait être fabriqué en laboratoire. Ils soulignent que l'indice de réfraction de certains matériaux dépend de l'intensité de la lumière à l'intérieur de ceux-ci. Ainsi, la lumière elle-même modifie l'indice de réfraction.

Cela signifie qu'un faisceau très intense peut créer un énorme gradient dans l'indice de réfraction. Ce gradient peut être si raide qu'il se comporte comme un horizon des événements. En fait, une seule impulsion peut créer un horizon de trou noir à son bord avant et un horizon de trou blanc à son bord arrière.

C'est exactement la condition que ces gars recherchent. Ils poursuivent en disant qu'il devrait être possible de le faire dans des guides d'ondes optiques en diamant. Ils ont testé l'idée numériquement et disent que cela fonctionne comme prévu.

Faccio et co n'hésitent pas à souligner qu'il est possible de faire pousser du diamant dans plus ou moins n'importe quelle forme, il devrait donc être possible de tester cette idée en laboratoire maintenant. Cela semblerait donc indiquer que ce type de nouveau processus d'amplification pourrait être observé dans des environnements réels, disent-ils.

Ce serait une expérience extraordinaire – un laser à trou noir dans un laboratoire. Cool!

Réf : arxiv.org/abs/1209.4993 : Lasers optiques à trou noir

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