Dans notre société moderne, d’énormes quantités de données sont transmises chaque jour, principalement sous forme de courtes impulsions optiques se propageant à travers les fibres de verre. Avec l’augmentation constante de la densité de ces signaux optiques, leur interaction augmente, ce qui peut entraîner une perte de données. Des physiciens de l’Université Friedrich Schiller d’Iéna et du Collège d’optique et de photonique d’Orlando, en Floride, étudient comment contrôler aussi précisément que possible un grand nombre d’impulsions optiques afin de réduire l’effet de telles interactions. À cette fin, ils ont surveillé un ensemble d’impulsions optiques se propageant à travers une fibre optique et ont découvert qu’il suivait des règles fixes, quoique principalement celles de la thermodynamique.
Dans un récent numéro de la revue Science, une équipe dirigée par le professeur Ulf Peschel rapporte des mesures sur une séquence d’impulsions qui parcourent des milliers de kilomètres à travers des fibres de verre d’une épaisseur de seulement quelques microns. Les chercheurs ont été surpris par les résultats. « Nous avons constaté que les impulsions lumineuses s’organisent après une centaine de kilomètres et se comportent alors davantage comme des molécules d’un gaz classique, comme l’air par exemple », rapporte le professeur Ulf Peschel, responsable du groupe à Iéna. Dans un gaz, les particules vont et viennent à des vitesses différentes, mais elles ont toujours une vitesse moyenne définie par leur température. Bien que les impulsions lumineuses se propagent à travers la fibre de verre à une vitesse moyenne d’environ 200 000 kilomètres par seconde, elles ne sont pas toutes aussi rapides. « La distribution statistique de leurs vitesses est exactement égale à celle d’un gaz conventionnel à température fixe », explique Peschel.
Comme les chercheurs viennent de le démontrer pour la première fois dans leur récente publication, ce gaz photonique peut être refroidi, par exemple, par un processus appelé détente adiabatique. Comme dans un gaz réel, les différences de vitesse des particules diminuent pendant le refroidissement et l’ordre dans la séquence de signaux augmente automatiquement. Lorsque le zéro absolu de température de 0 Kelvin est atteint, toutes les impulsions se propagent exactement à la même vitesse.
Le processus inverse est également possible. « Lorsque le gaz optique est chauffé, les différences de vitesse augmentent », explique Peschel. Si toutes les vitesses d’impulsion se produisent également souvent, le désordre est à un maximum et la température est infinie – un état qui ne peut pas être atteint dans un gaz réel car il nécessiterait une quantité infinie d’énergie. « En revanche, une modulation périodique de l’indice de réfraction peut limiter la plage des vitesses d’impulsion autorisées dans la fibre de verre. De cette façon, tous les états de vitesse disponibles peuvent être également excités, créant un gaz photonique de température infinie. Si encore plus d’énergie est De plus, les états de vitesses extrêmes sont préférentiellement peuplés — le gaz photonique devient plus chaud qu’infiniment chaud.
« Pour cet état, qui n’a jusqu’à présent été décrit que théoriquement pour la lumière, une température inférieure au zéro absolu est mathématiquement supposée », explique Peschel. Lui et ses collègues ont maintenant pu créer un tel gaz photonique à température négative et montrer pour la première fois qu’il obéit aux lois conventionnelles de la thermodynamique. « Nos résultats contribueront à une meilleure compréhension du comportement collectif de grands ensembles de signaux optiques. Si nous prenons en compte les lois de la thermodynamique, nous pouvons rendre la transmission de données optiques plus robuste et fiable, par exemple en structurant les distributions d’impulsions pour mieux correspondre distributions thermiques. »
