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La diffusion cohérente vers l’avant, ou la localisation d’Anderson en espace des vitesses

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La diffusion cohérente vers l'avant, ou la localisation d'Anderson en espace des vitesses

La compréhension du transport des ondes dans le régime de localisation d’Anderson a fait un pas en avant avec la découverte de la diffusion cohérente vers l’avant, une signature de la localisation en espace des vitesses. Cette étude a été conduite par une collaboration internationale de théoriciens incluant deux membres de l’équipe "Systèmes Quantiques Complexes" du LKB.

Imaginons une personne tentant de traverser une forêt embrumée par un épais brouillard : après plusieurs changements de direction imposés par les obstacles, elle va progressivement perdre la mémoire de sa direction initiale et finir par se déplacer au hasard. Une telle marche aléatoire correspond à un processus de diffusion, associée à une distribution des vitesses complètement isotrope, et explique de nombreux phénomènes physiques comme par exemple la conductivité de Drude dans les métaux.

Par contre, pour une onde cohérente diffusée par un environnement désordonné, les choses sont très différentes. Pour une seule réalisation du désordre statique, l’information de phase n’est pas perdue, seulement convertie en une figure d’interférences compliquée (un "speckle"). Après moyennage cependant, ces interférences sont brouillées, sauf dans la direction de diffusion arrière de la distribution des vitesses où elles se manifestent par un pic étroit, connu sous le nom de pic de rétro-diffusion cohérente (CBS pour "coherent backscattering" en anglais).

Par un travail théorique, il a été montré que lorsque l’onde se propage dans un désordre très fort et commence à ralentir sa progression à cause du phénomène de localisation d’Anderson, le signal CBS s’accompagne d’un pic d’interférences spectaculaire dans la direction opposée de diffusion vers l’avant. Aux temps longs, la distribution des vitesses se gèle en une structure symétrique à double pic, gardant de fait une mémoire à long terme de sa direction initiale.

Ce pic de diffusion cohérente vers l’avant (CFS pour "coherent forward scattering" en anglais) a été découvert en calculant numériquement la distribution des vitesses d’un paquet d’ondes "poussé" à l’intérieur d’un potentiel aléatoire, une configuration courante dans les expériences actuelles sur les atomes froids. Une explication théorique a été proposée, basée sur l’effet d’interférences responsable du pic CBS. La diffusion cohérente vers l’avant est un phénomène très général qui devrait être observable avec de nombreux types d’ondes (ondes de matière, lumière, ondes acoustiques…) dans des conditions expérimentales appropriées, et son étude future devrait améliorer notre compréhension du transport des ondes dans le régime de localisation d’Anderson.

Distribution des vitesses d’un paquet d’ondes initialement poussé dans un potentiel aléatoire bidimensionnel. Dans le régime de localisation d’Anderson, la distribution présente deux pics d’interférences, l’un associé à la rétrodiffusion cohérente et l’autre à la diffusion cohérente vers l’avant.

Pour en savoir plus : Coherent Forward Scattering Peak Induced by Anderson Localization, T. Karpiuk, N. Cherroret, K. L. Lee, B. Grémaud, C. A. Müller, and C. Miniatura. Phys. Rev. Lett. 109, 190601 (2012). Preprint : arXiv:1204.3451

Communication de l’Institut de Physique : La diffusion cohérente vers l’avant : une nouvelle signature de l’apparition du régime de localisation d’Anderson

Contact : Nicolas Cherroret,