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Des physiciens découvrent une façon d’accroître la résolution des microscopes et des télescopes

by Patchen Barss mars 20 / 17

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Par l’exploitation de propriétés de la lumière jadis négligées, des physiciens ont découvert une façon d’accroître la résolution des microscopes et des télescopes au-delà de limites établies il y a longtemps.

La méthode permet aux observateurs de distinguer des objets très petits ou très lointains qui sont si près l’un de l’autre qu’ils se confondent habituellement en un point flou.
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Edwin (Weng Kian) Tham et Hugo Ferretti, chercheurs en physique à l’Université de Toronto, se préparent à réaliser une expérience pour arriver à vaincre la malédiction de Rayleigh en misant sur des propriétés jadis négligées de la lumière. (Photo : Diana Tyszko — Université de Toronto) Ces recherches ont été publiées dans la revue Physical Review Letters.

En raison des lois de la physique, qui font que la lumière se disperse ou se diffracte, les télescopes et les microscopes sont de bons outils pour observer les objets isolés. Toutefois, dans le cas d’un objet comme une étoile binaire, les deux étoiles qui sont très près l’une de l’autre peuvent ressembler de loin à un point flou et leurs données individuelles sont irrémédiablement perdues.

Pour résoudre le problème il faut, entre entres, contourner les limites de ce qu’on appelle le « critère de Rayleigh ».

Il y a plus de cent ans, le physicien britannique John William Strutt – mieux connu sous le nom de Lord Rayleigh – a établi la distance minimale nécessaire entre deux objets pour qu’un télescope les distingue individuellement. Depuis, le « critère de Rayleigh » constitue une limite inhérente dans le domaine de l’optique.

Toutefois, les télescopes ne font qu’enregistrer l’« intensité » ou l’éclat de la lumière. La lumière comporte d’autres propriétés qui pourraient maintenant nous permettre de contourner le critère de Rayleigh.

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Dans la boîte inférieure droite se trouve une représentation de SPLICE, la méthode de mesure mise à l’essai dans cette expérience. Dans la boîte supérieure droite se trouve le croquis du profil spatial du champ électromagnétique avant la mesure. Le reste de l’image illustre l’appareil utilisé pour simuler les deux sources lumineuses que l’on peut déplacer autour de leur centre en déplaçant le miroir supérieur. (Droits réservés [2017], American Physical Society)

« Pour vaincre la malédiction de Rayleigh, il faut faire quelque chose d’astucieux », dit Aephraim Steinberg, Boursier principal au sein du programme Informatique quantique de l’ICRA et physicien au Centre d’informatique quantique et de contrôle quantique de l’Université de Toronto.

« Nous avons mesuré une autre propriété de la lumière appelée “phase” qui procure autant de données sur des sources très près l’une de l’autre que sur celles séparées par de grandes distances. »

La lumière se propage sous la forme d’ondes et toutes les ondes ont une phase. La phase fait allusion à l’emplacement des crêtes et des creux d’une onde. Même quand une paire de sources lumineuses qui sont près l’une de l’autre se confondent en un point flou, les données sur leurs phases ondulatoires individuelles demeurent intactes. Il n’y a qu’à savoir comment extraire les données.

Ce résultat a été publié l’année dernière par Mankei Tsang, Ranjith Nair et Xiao-Ming Lu, chercheurs à l’Université nationale de Singapour, dans la revue Physical Review X. Des chercheurs comme Steinberg et son équipe se sont mis sans tarder à mettre au point divers moyens de mettre en œuvre cette solution.

« Nous avons tenté de trouver la solution la plus simple possible, dit Steinberg. Pour jouer avec une phase, il faut la ralentir et il est en fait assez facile de ralentir la lumière. »

Son équipe, y compris les doctorants Edwin (Weng Kian) Tham et Hugo Ferretti, a scindé des images d’essai en deux. Les chercheurs ont fait passer la lumière de chaque moitié d’images à travers du verre d’épaisseur différente afin de ralentir les ondes pendant des durées différentes, changeant ainsi leurs phases respectives. Quand les faisceaux se sont réunis, il y a eu création de motifs d’interférence distincts qui ont révélé aux chercheurs si l’image d’origine contenait un ou deux objets – à des résolutions qui dépassaient de loin les limites associées au critère de Rayleigh.

Jusqu’à présent, l’équipe de Steinberg a mis à l’essai cette méthode uniquement dans des situations artificielles mettant en jeu des paramètres hautement restrictifs.

« Je veux être prudent – nous n’en sommes qu’aux premières étapes, dit Steinberg. Dans nos expériences en laboratoire, nous savions que nous n’avions qu’un ou deux points lumineux et nous pouvions présumer qu’ils étaient d’égale intensité. Ce n’est pas nécessairement le cas dans la vraie vie. Mais les gens exploitent déjà ces idées et analysent ce qui se passe avec des hypothèses moins restrictives. »

Ces percées pourraient mener à des applications dans l’observation du cosmos et aussi en microscopie où les chercheurs pourraient avoir recours à cette méthode pour étudier des molécules liées et autres structures minuscules et denses.

Peu importe les améliorations que les mesures de la phase apporteront à la résolution d’images, Steinberg dit que la véritable valeur de l’expérience réside dans le fait que cela aura ébranlé chez les physiciens le concept de l’« emplacement véritable de l’information ».

Steinberg travaille habituellement en physique quantique – cette expérience constituait un changement de direction pour lui. Il dit que son travail dans l’univers quantique lui a permis d’acquérir des connaissances philosophiques clés sur la nature de l’information qui se sont révélées utiles pour vaincre la « malédiction de Rayleigh ».

« Lors de la mesure d’états quantiques, entre en jeu le principe d’incertitude qui dit qu’on peut regarder la position ou la vitesse, mais pas les deux, dit-il. Il faut choisir ce qu’on mesure. Nous apprenons maintenant que l’imagerie ressemble davantage à la mécanique quantique que ce que nous pensions. Quand on mesure seulement l’intensité, on a fait un choix et on a éliminé de l’information. Ce que vous apprenez dépend de là où vous regardez. »

Le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie, l’Institut canadien de recherches avancées et Northrop-Grumman Aerospace Systems NG Next ont apporté leur soutien à la réalisation de ces travaux.