Lumière superfluide et turbulente en milieux complexes – STLight

Le projet STLight se concentre sur l’étude expérimentale de fluides de lumière en milieux complexes. La superfluidité, la capacité d’un fluide à annuler sa viscosité et passer autour d’un obstacle, est l’une des manifestations les plus étonnantes des fluides quantiques. En optique non-linéaire, la lumière se propage alors de manière inaltérée dans un milieu inhomogène. L’exact opposé arrive dans le cas linéaire, où la lumière subit une localisation spatiale dans les milieux désordonnés. Le but principal du projet STLight est d’étudier la transition d'un état spatialement localisé vers un état superfluide dans des milieux complexes mais contrôlés, positionnant ainsi le projet à la frontière entre l’hydrodynamique quantique et les ondes en milieux complexes. La turbulence forte en milieux complexes sera aussi étudiée. Cela permettra, en plus d’adresser le transport optique dans les milieux désordonnés, de bénéficier significativement aux communautés de l’optique non-linéaire et de l’hydrodynamique quantique.

Le projet STLight repose sur l’hypothèse principale qu’un champ optique se propageant paraxialement dans un milieu non-linéaire transparent est formellement analogue à un gaz quantique à 2D évoluant temporellement. Dit simplement, chaque plan transverse dans le milieu optique, le long de la propagation, est équivalent à un “snapshot” de la dynamique temporelle du fluide quantique. Cette analogie peut être réalisée à la condition que les photons acquièrent une masse effective et interagissent collectivement, via une interaction répulsive contrôlée. Ces deux caractéristiques peuvent être obtenue dans des systèmes photoniques préparés dans ce sens. Par exemple, un cristal photo-réfractif dans lequel l’indice optique peut être structuré d’une manière arbitraire et reconfigurable est un candidat de choix pour l’étude des fluides de lumière, notamment en milieux désordonnés, et est au coeur de notre expérience.

Le projet est présenté sous la forme de 3 work packages organisés selon une augmentation progressive du niveau de complexité du milieu, partant d’un système quasi-homogène pour aller vers un système complètement désordonné; En particulier, nous étudierons :
1/ La turbulence dans un cristal non-linéaire avec quelques obstacles.
--> Etudier l’interaction entre des vortex et les obstacles dans des configurations simples, via par exemple la génération de vortex dans le sillage d’une ligne d’obstacles et la dynamique de ces vortex au voisinage des obstacles.
2/ Les fluides de lumière en milieu complexe, via la robustesse de la superfluidité dans un milieu désordonné, ainsi que la robustesse d’états localisés en milieu non-linéaire
--> i) Designer, implémenter et contrôler la photo-induction de structures désordonnées dans le cristal, dans une configuration à 2D, ii) Etudier les régimes extrêmes de localisation spatiale et superfluidité, iii) Etudier le régime intermédiaire, dans lequel on attend de la turbulence.
3/ Vers l’étude des fluides de lumière dans des systèmes dépendant du temps
--> dans cette partie bien plus exploratoire, nous étudierons une dynamique du fluide de lumière dépendant du temps en créant i) un désordre complet dépendant du temps ii) un fluide de lumière à 3D, en considérant des impulsions lumineuses.

Le principal verrou technique à lever est de contrôler la création de l’environnement désordonné dans un système non-linéaire. Cette implémentation est rendue possible dans le dispositif expérimental que nous proposons.

Les résultats obtenus permettront de renforcer la connaissance fondamentale et le développement expérimental liés aux fluides de lumière et à la turbulence quantique, et d’ouvrir de nouvelles perspectives concernant la localisation spatiale de la lumière dans des environnements non-linéaires.