Une mesure des forces au sein d’une pince optique

En mécanique statistique classique, la distribution de probabilité de Gibbs-Boltzmann décrit la position et la vitesse d’une particule dans un bain thermique, comme l’air ou l’eau. La répartition des forces agissant sur la particule est cependant mal connue pour une distribution stationnaire hors de l’équilibre, quand certaines forces ne dérivent pas d’un potentiel d’action. Cette situation se retrouve en particulier dans les pinces optiques, qui ont valu à Arthur Ashkin le prix Nobel de physique en 2018. Un faisceau laser fortement focalisé y piège une particule grâce à une force optique, dont une des composantes non conservatives, c’est-à-dire dont le travail dépend du chemin parcouru, est longtemps restée négligée. En effet, les travaux dans ce domaine s’efforçaient principalement à accentuer l’immobilisation des particules, dans l’espoir de les faire passer d’un régime classique à un régime quantique, plutôt que d’en étudier les mouvements.

Des chercheurs du Laboratoire ondes et matière d’Aquitaine (LOMA, CNRS/Université de Bordeaux) sont parvenus à isoler et mesurer cette force. Ils ont pour cela utilisé une nanobille de verre d’une composition proche d’une fibre optique : sa transparence facilite sa capture par pince optique et limite les phénomènes d’absorption et d’échauffement. Plutôt que de la laisser dans un bain thermique liquide, où la particule serait soumise à d’innombrables collisions moléculaires du milieu environnant, les physiciens ont eu l’idée de la plonger dans un milieu gazeux raréfié. La force optique non conservative exercée sur la particule est alors plus importante que celle due aux collisions moléculaires, devenant ainsi observable et mesurable.

Cette étude généralise le fonctionnement des pinces optiques et apporte un système modèle pour examiner la physique statistique hors de l’équilibre. Elle ouvre également des perspectives pour la mesure de forces ultra-faibles, y compris en 3D.