Atteindre Alpha du Centaure, le système stellaire le plus proche du Soleil, exigerait des centaines de milliers d'années avec nos propulseurs actuels. Mais une autre piste fascine les physiciens : utiliser la lumière pour pousser un engin spatial. Des chercheurs de l'université Texas A&M viennent d'en livrer une preuve de concept prometteuse dans la revue Newton : des structures microscopiques, appelées métajets, capables de léviter et de se déplacer sous l'effet d'un laser, sans contact mécanique ni carburant embarqué.
Le principe des métasurfaces
Pour comprendre comment la lumière peut, à elle seule, mettre un objet en mouvement, il faut s'intéresser au matériau de ces métajets : les métasurfaces. Il s'agit de matériaux ultrafins structurés à l'échelle nanométrique. L'équipe a conçu un « sandwich » optique : de minuscules piliers en silicium sur une base transparente en dioxyde de silicium. Cette architecture est cruciale : lorsqu'un rayon laser frappe cette surface, une partie de la lumière est déviée et une autre, réfléchie.
La force métaphotonique
La célèbre loi de l'action et de la réaction d'Isaac Newton entre alors en jeu. La lumière possède une quantité de mouvement. En interagissant avec les piliers, elle transfère une partie de son élan au métajet. Le Dr Shoufeng Lan compare ce phénomène à des balles de ping-pong rebondissant sur une surface : à chaque impact, une petite quantité de mouvement est transmise. Ici, ce rôle est joué par les photons du laser : en étant déviés ou réfléchis, ils exercent sur le métajet une poussée infime, appelée force métaphotonique.
Propulsion et lévitation simultanées
C'est sur cette base que l'équipe texane a réussi une avancée majeure : obtenir simultanément une lévitation verticale et une propulsion horizontale en modulant la géométrie des piliers de silicium. En ajustant simplement la taille et le nombre de ces colonnes, les chercheurs déterminent l'angle de déviation de la lumière, contrôlant ainsi la vitesse et la direction du métajet. Sous l'effet d'un laser, un métajet à métasurface se déplace : une démonstration de propulsion pilotée par la lumière réalisée par des chercheurs de l'université Texas A&M.
L'étude démontre que la force de propulsion dépend avant tout de la puissance du laser, et non de la taille de l'objet. Ces principes physiques pourraient donc, en théorie, être étendus à des systèmes beaucoup plus grands, sous réserve d'une puissance lumineuse suffisante. Autre atout : ces structures sont fabriquées par lithographie électronique (EBL), une technique déjà maîtrisée en nanofabrication, même si un changement d'échelle poserait d'importants défis industriels.
Perspectives et défis
Reste qu'il ne s'agit encore que d'une démonstration de principe. À ce stade, ces dispositifs restent microscopiques – plus fins qu'un cheveu humain – et ne sont testés qu'en laboratoire, plongés dans un liquide pour atténuer les effets de la gravité. La prochaine étape pour l'équipe consiste à obtenir des financements afin de tester cette technologie en microgravité. Entre science fondamentale et rêve d'exploration interstellaire, ces métajets pourraient constituer les premiers jalons d'une propulsion où la lumière elle-même ferait office de moteur.
