Miroir temporel instantané

Depuis vingt ans, les équipes de Mathias Fink, à l'Institut Langevin, à Paris, explorent le retournement temporel des ondes les plus diverses. Les physiciens ont conçu des « miroirs à retournement temporel » qui permettent à des ultrasons ou à des micro-ondes de « remonter le temps », c’est-à-dire de reparcourir leur trajectoire en sens inverse, et de se focaliser de manière très efficace. Ils viennent maintenant d’inventer un miroir baptisé « miroir temporel instantané » et dont ils ont démontré l’efficacité sur les vagues qui se propagent à la surface de l’eau : une brusque secousse verticale du réservoir d’eau permet d’observer ce même effet. Comment fonctionne le retournement temporel ? Les équations qui décrivent la propagation des ondes sont symétriques par renversement du temps. Autrement dit, dans ces équations, on change t (le paramètre temps) en –t, on voit le même type de propagation, mais à l’envers, comme si les ondes remontaient le temps. Cette symétrie a inspiré le principe des premiers miroirs à retournement temporel.

« Dans une piscine, on crée une vague qui se propage à partir d’un objet qu’on a plongé dans l’eau, raconte Mathias Fink. À l’aide de capteurs disposés sur les bords de la piscine, on enregistre durant un certain temps l’évolution de la hauteur de l’eau, puis on inverse la chronologie temporelle de ce signal qu’on applique alors sur des petites rames contrôlables positionnées au même endroit que les capteurs. On fabrique alors une vague qui converge sur l’objet qui lui a donné naissance, comme si on rejouait le film à l’envers. » C’est ce principe de « retournement temporel sur les bords », appliqué en ultrasons comme en micro-ondes, qui est utilisé depuis deux décennies dans de multiples applications. « C’est en interprétant l’expérience d’Yves Couder qui montrait qu’une goutte d’huile rebondissant sur un bain d’huile vibrant périodiquement générait des ondes stationnaires (et non progressives) que j’ai suggéré qu’une accélération verticale très brève d’un bain pouvait permettre de réaliser un miroir à retournement temporel instantané », reprend Mathias Fink.

C’est cette expérience qu’ont réalisée ses collègues Emmanuel Fort et Vincent Bacot. Le principe ? Changer brusquement la vitesse de propagation des vagues qui dépend de la gravité. Pour cela, il suffit d’une secousse verticale rapide. En effet, en secouant le récipient dans lequel se propagent les vagues, l’eau est soumise à une gravité apparente différente. Changer l’accélération, c’est comme changer la gravité – deux grandeurs équivalentes. « À un instant, les ondes se propagent toutes à une certaine vitesse, et après la secousse, on a provoqué une discontinuité temporelle : on a changé partout la vitesse de manière instantanée », précise Mathias Fink. Avec un bassin rempli d’eau sur lequel une onde se propage, on voit, après la secousse, l’onde se refocaliser sur sa source. Reste à appliquer ce principe à d’autres types d’ondes (acoustiques, électromagnétiques, lumière...)."