Pourra-t-on un jour utiliser des voiles ultrafines propulsées par des lasers pour atteindre de grandes vitesses dans l'espace ? C'est le pari des chercheurs du Caltech. Lancée en 2016 sous l’impulsion de Stephen Hawking et Yuri Milner, l’initiative Breakthrough Starshot vise à explorer la faisabilité d’un voyage vers le système stellaire Alpha Centauri. Ce programme repose sur l’utilisation de sondes miniatures attachées à des voiles photoniques, propulsées par des lasers terrestres. Harry Atwater, directeur de la Division d’ingénierie et de sciences appliquées à Caltech, a décrit leur ambition : « Le voile lumineux voyagera plus rapidement que tout vaisseau spatial précédent, rendant envisageable l’exploration directe de distances interstellaires jusqu’alors accessibles uniquement par observation à distance ».
Une plate-forme expérimentale a ainsi été développée afin de caractériser les matériaux destinés à ces voiles. Leur comportement face à la pression exercée par les lasers constitue un aspect central de leurs recherches. Les chercheurs de Caltech ont conçu une méthode permettant de mesurer la force exercée par un laser sur une membrane ultramince. Cette étape cruciale marque le passage des propositions théoriques à des observations concrètes. « Il existe de nombreux défis dans le développement d’une membrane utilisable comme voile lumineux. Elle doit résister à la chaleur, maintenir sa forme sous pression et se stabiliser le long de l’axe d’un faisceau laser », explique Harry Atwater. « Mais avant de pouvoir construire une telle voile, il fallait comprendre comment les matériaux réagissent à la pression de radiation des lasers ».
Pour étudier ce phénomène, une voile miniature a été créée. Fixée aux coins à l’intérieur d’une membrane plus grande, elle ressemble à un trampoline microscopique. La structure, fabriquée à partir de nitrure de silicium, mesure seulement 50 nanomètres d’épaisseur. Les mouvements de cette voile ont été analysés grâce à un dispositif appelé interféromètre à chemin commun. L'objectif ultime du projet de voile lumineuse est de piloter une voile lumineuse en accélération libre d'une surface de 10 mètres carrés et d'une épaisseur de 100 nm ou moins. Dans cette première étape expérimentale, l'équipe du Caltech a utilisé une voile lumineuse miniature en laboratoire pour mesurer la pression de radiation directe d'un faisceau laser.
Les vibrations induites par la lumière laser ont révélé une dynamique complexe. Selon Lior Michaeli, co-auteur principal de l’étude, « la voile agit comme un résonateur mécanique, vibrant sous l’effet de la lumière ». Ces vibrations sont principalement causées par la chaleur générée par le faisceau laser, ce qui complique la mesure directe de la pression de radiation. Toutefois, l’équipe a su transformer cet obstacle en opportunité. « Nous avons non seulement évité les effets indésirables de la chaleur, mais également utilisé les connaissances acquises pour créer une nouvelle méthode de mesure de la force lumineuse », ajoute Lior Michaeli. Cette approche innovante permet au dispositif de servir également de mesureur de puissance laser, combinant ainsi deux fonctions essentielles. La stabilité des voiles représente un défi majeur. Pour simuler les conditions réelles d’un voyage spatial, les chercheurs ont incliné le faisceau laser afin de reproduire une situation où la voile ne serait pas parfaitement perpendiculaire à la source lumineuse. Les résultats ont montré que la force exercée était inférieure aux attentes. Une hypothèse avancée dans l’article publié dans Nature Photonics suggère que la lumière, lorsqu’elle est dirigée selon un angle, frappe les bords de la voile, provoquant une dispersion partielle.
Afin de résoudre ce problème, l’équipe envisage d’utiliser des métamatériaux nanostructurés pour contrôler les mouvements latéraux et les rotations des voiles. « L’objectif serait d’utiliser ces surfaces nanostructurées pour, par exemple, imprimer une force ou un couple restaurateur à une voile lumineuse », indique Ramon Gao. « Si une voile venait à s’écarter du faisceau laser, elle pourrait alors revenir automatiquement à sa position initiale ». Les travaux réalisés à Caltech constituent une étape importante vers la compréhension des forces optiques et des couples nécessaires pour guider une voile lumineuse en accélération libre.
Nature Photonics : https://www.nature.com/articles/s41566-024-01605-w
