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Influence du champ magnétique sur la vitesse de la lumière : mesures précises dans les gaz et dans le vide

Depuis le XIX siècle, la magnéto-optique est l’un des outils les plus puissants pour sonder les propriétés microscopiques de la matière. Ce domaine de la physique correspond à l’étude de la propagation de la lumière dans un milieu en présence d’un champ magnétique. Ce dernier modifie en particulier la vitesse de la lumière qui est d’environ 3x108 m/s pour une propagation dans le vide en l’absence de champ magnétique. Cette variation de la vitesse est cependant extrêmement faible. En présence d’un champ magnétique d’1 T (20 000 fois le champ magnétique terrestre), la vitesse de la lumière dans une atmosphère de gaz d’hélium varie de 7x10-8 m/s, soit moins de 100 nanomètres par seconde. La mesure de cette aussi petite variation est le défi expérimental qu’ont relevé des physiciens du LNCMI de Toulouse avec le projet BMV (Biréfringence Magnétique du Vide). Ils s’intéressent plus particulièrement à la dépendance de la vitesse de la lumière soumise à un champ magnétique en fonction de la polarisation de la lumière (i.e. la direction de vibration du champ électrique associé à l’onde lumineuse). Le dispositif expérimental spécialement développé pour cette mesure comprend un aimant délivrant jusqu’à 10 T. Afin d’augmenter l’effet à mesurer, la lumière est également piégée entre deux miroirs de haute réflectivité, formant une cavité optique. La lumière reste piégée durant 1 milliseconde et fait ainsi un grand nombre d’allers et retours dans le champ magnétique. Le trajet équivalent dans le champ magnétique est de 40 km, sur une expérience de seulement 3m de long. Cet appareil de mesure a atteint récemment une sensibilité record en terme de mesures de variation de la vitesse de la lumière sous champ magnétique, avec une sensibilité de quelques nanomètres par seconde dans un gaz d’hélium qui est le gaz présentant la plus faible variation de vitesse dans la nature. Les résultats, compatibles avec la théorie, montrent que cet appareil peut être maintenant utilisé avec n’importe quel gaz, permettant une comparaison précise entre l’expérience et les prévisions théoriques. La vitesse de la lumière sous champ magnétique devrait également diminuer lorsque la lumière se propage dans le vide. Le vide peut en effet être considéré comme un milieu comme un autre vis à vis des propriétés magnéto-optiques. Cet effet dans le vide est prévu par l’électrodynamique quantique, théorie qui décrit les principes fondamentaux de l’interaction lumière – matière. A ce jour, il n’a jamais été observé expérimentalement. Aujourd’hui, le projet BMV a permis de donner une sensibilité encore jamais atteinte : environ 1 picomètre par seconde. Cette première mesure valide ainsi le principe de l’expérience. Une version encore améliorée va être mise en place dans les mois à venir avec pour objectif d’atteindre le femtomètre par seconde dans un champ magnétique d’1 T, ce qui permettra d’observer l’effet dans le vide pour la première fois et de valider ainsi la théorie par l’expérience.

Pour plus d’informations, voir notre site web : http://www.toulouse.lncmi.cnrs.fr/s...

et nos deux récentes publications :

Vacuum magnetic linear birefringence using pulsed fields : status of the BMV experiment, A. Cadène, P. Berceau, M. Fouché, R. Battesti and C. Rizzo, Eur. Phys. J. D 68, 16 (2014).

Faraday and Cotton-Mouton effects of helium at λ=1064 nm, A. Cadène, D. Sordes, P. Berceau, M. Fouché, R. Battesti and C. Rizzo, Phys. Rev. A 88, 043815 (2013).