Le rayon tracteur de Star Wars devient réalité

L'une des scènes de Star Wars montre le Millenium Falcon de Han Solo piégé par un rayon tracteur attirant son vaisseau en direction de l'Étoile noire. À première vue, il semble impossible qu'un tel rayon soit réalisable à l'aide d'un faisceau laser. D'ordinaire, en effet, la lumière exerce au contraire une pression sur les objets qu'elle éclaire. Le premier physicienphysicien ayant envisagé cet effet était Johannes KeplerJohannes Kepler, lorsqu'il cherchait à expliquer l'orientation de la queue des comètes par rapport au Soleil. Des siècles plus tard, après la découverte des équations de Maxwelléquations de Maxwell gouvernant le champ électromagnétiquechamp électromagnétique responsable de l'existence des ondes lumineuses en physiquephysique classique, plusieurs physiciens comprirent que Kepler avait vu juste.

Ce fut le cas de Maxwell lui-même en 1871, qui avait déduit de ses équations l'existence de ce que l'on appelle la pression de radiationpression de radiation, puis de Joseph Poynting qui, tout en précisant cette déduction, en avait étudié les conséquences sur des particules de poussière en 1903, et surtout de Pyotr Nikolaevich Lebedev. Ce physicien russe a donné une preuve expérimentale de l'existence de la pression de radiation vers 1900.

Les faisceaux d'ondes sonores de Bessel

La théorie quantique de la lumière ne fit que conforter l'idée que la direction de la pression de radiation était toujours dirigée dans le sens de la propagation de la lumière en introduisant les quanta de lumière d'EinsteinEinstein, les photons. Possédant certaines caractéristiques des particules, comme une quantité de mouvementquantité de mouvement, l'effet d'un faisceau lumineux sur une surface pouvait donc être comparé à celui d'un flux de particules, par exemple celui d'un jet d'eau.

Un schéma illustrant le dispositif constituant un rayon tracteur. Deux faisceaux laser (en vert) sont combinés pour produire une onde lumineuse qui attire de petites sphères. © University of St Andrews

Et pourtant, en 2006, le physicien Philip Marston de la Washington State University a montré théoriquement que, dans certains cas, des faisceaux d'ondes sonoresondes sonores appelés des faisceaux de Bessel avaient une structure particulière pouvant conduire à des effets contre-intuitifs.

Vers les ondes lumineuses et le rayon tracteur de Star Wars

Transposé au cas des ondes lumineuses, le travail de Marston impliquait que le bilan de la quantité de mouvement des ondes électromagnétiquesondes électromagnétiques diffusées dans toutes les directions par des particules éclairées par des faisceaux de Bessel similaires pouvait être tel, dans certains cas, qu'au lieu d'éloigner ces particules d'une source de lumière, il les rapprochait.

À cause de l'énergieénergie nécessaire, il semble très difficile d'exploiter des faisceaux de Bessel pour tracter le vaisseau de Han Solo ou même des petites particules. Pourtant, une première sorte de réalisation concrète de cette idée a été réalisée l'année dernière par des chercheurs américains, qui ont décrit leur expérience dans les Physical Review Letters.

Aujourd'hui, des physiciens de l'University of St Andrews en Écosse et de l'Institute of Scientific Instruments (ISI) en République tchèque viennent de publier un article dans Nature Photonics montrant qu'il est possible de contourner l'obstacle. Ils ont réalisé un rayon tracteur à l'aide de deux faisceaux laser. Le dispositif obtenu est prometteur car il pourrait avoir des applicationsapplications biomédicales intéressantes, comme trier des macromoléculesmacromolécules et des cellules.