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Effet Cotton-Mouton Inverse

L’effet Cotton-Mouton inverse (ICME) est une aimantation induite par un faisceau laser non résonant polarisé linéairement se propageant dans un milieu en présence d’un champ magnétique transverse. Cette aimantation est proportionnelle à la valeur du champ magnétique et à la densité d’énergie des ondes électromagnétiques se propageant [1]. L’ICME a été prédit dans les systèmes atomiques et moléculaires [2] ainsi-que pour le vide quantique [3]. Cependant, aucune preuve expérimentale complète de l’existence de cet effet n’a pour le moment pas été montrée.

1. Montage expérimental

Le cristal utilisé sur l’expérience est un cristal de terbium gallium garnet (TGG). Le laser est un laser Nd:Yag Q-switched délivrant des pulses de 10 ns avec 0.5 J par pulse. Le faisceau traverse ensuite deux polariseurs. Le deuxième fixe la polarisation du faisceau alors que le premier permet de changer la puissance incidente sur le cristal. Une lame λ/2 a été placée derrière les polariseurs pour tourner au besoin la polarisation du laser. Des miroirs d’injection et une lentille permettent de focaliser le laser quelques centimètres après le cristal de TGG. L’indice de réfraction du cristal à λ = 1064nm est n ≈ 2. Ses dimensions sont 2 mm x 2 mm x 2 mm. Le champ magnétique, délivré par un électro-aimant, est appliqué sur le cristal parallèle à la direction [0,0,1]. Le champ a été varié entre 0 et 2.5 T. Le vecteur k de la lumière est parallèle à la direction [1,0,0], alors que la polarisation du laser est parallèle au champ magnétique externe i.e. parallèle à la direction [0,0,1], ou perpendiculaire au champ magnétique i.e. parallèle à la direction [0,1,0]

Les changements d’aimantation dans le cristal ont été mesurés grâce à une sonde constituée par une bobine pickup double : une bobine de compensation et une bobine mesurant le signal. Dans la Figure suivante, nous montrons un schéma de la zone de détection de notre appareil expérimental. La bobine signal est placée en contact avec le cristal alors que l’autre bobine est loin du cristal. La géométrie de la bobine double a été élaborée de façon à ce que tout signal ne provenant pas du cristal soit réduit à zéro. Chaque bobine a une dimension de 2 mm x 2 mm et la distance entre les centres des bobines est de 5 mm. Chaque bobine a été calibrée en mesurant le signal obtenu dans un champ magnétique modulé connu. Le signal de sortie est enfin amplifié par un amplificateur rapide bas bruit et filtré par un filtre passe haut de 100 kHz de fréquence de coupure. Deux de ce type de pickup sont utilisés : une pour la partie du haut du cristal, l’autre pour la partie basse.

2. Résultats

Sur la Fig. 2 sont tracés un pulse laser typique avec le signal correspondant détecté par les deux bobines signal. Le signal ICME est proportionnel à la dérivée temporelle de l’intensité laser comme prévu théoriquement. Nous avons vérifié que le signal intégré reproduit bien la forme du pulse laser détecté par une photodiode rapide. Cette observation, avec l’observation de la dépendance du signal avec la polarisation du laser permettent de s’assurer que l’effet ne correspond pas à un effet thermo-optique.

Fig. 2

La densité de flux magnétique ICME $B_p$ dépend linéairement de l’intensité laser, comme attendu. La densité de flux magnétique mesurée dépend également linéairement du produit intensité laser et champ magnétique externe, comme cela est montré sur la Fig. 3. Durant l’acquisition des données, nous avons modifié la polarité du champ magnétique et nous avons observé que le signal ICME correspondant change également de signe.

Fig. 3

3. Conclusion

Ces résultats ont été soumis pour publication et une version préliminaire de l’article peut être trouvée sur Arxiv (A. Ben-Amar Barangaet al., arXiv:1009.3152 (2010)).

Nos mesures sur l’aimantation induite sur un cristal de TGG par un faisceau laser en présence d’un champ magnétique transverse sont une preuve expérimentale claire de l’existence de l’ICME. Ceci ouvre certainement un nouveau champ d’investigation sur les propriétés électromagnétiques de la matière. Cet effet a aussi des aspects applicatifs intéressant dans les systèmes optiques (A. Ben-Amar Baranga, R. Battesti, M. Fouché, C. Rizzo, and G. L.J.A. Rikken, brevet déposé).


[1] Y.R. Shen, The Principles of Nonlinear Optics (John Wiley & Sons, New York 1984) 1st ed..

[2] S.I. Marmo and V.D. Ovsiannikov, Phys. Lett. A 202, 201 (1995).

[3] C. Rizzo et al, EPL 90, 64003 (2010).