La croissance de l’instabilité après 50 ans !

Retour vers le futur : la croissance de l’instabilité après 50 ans !

Des travaux théoriques et expérimentaux  menés simultanément dans trois domaines scientifiques, à  savoir  les  mathématiques,  l’optique  et l’hydrodynamique, ont permis en 2015  de mettre en  évidence  de  nouvelles  ondes  en  physique, appelées  « superregular  breathers ».  La  découverte  de telles  ondes,  au nom  quelque peu  énigmatique,  est  une  étape  majeure  qui  permetd’étendre la connaissance initiée il y a 50 ans par Benjamin  et  Feir. 
Découvert  dans  les  années 1960 et appelé aussi instabilité de modulation, ce phénomène  portant  leur  nom  décrit l’amplification  inévitable  de  petites  perturbations  au  sommet  d'une  vague  ainsi  que  dans d'autres  systèmes  de  non-linéaires.  Considéré comme  un  phénomène  clé  en  dynamique  des ondes  depuis  près d’un demi-siècle, les caractéristiques de  cette instabilité non-linéaire avaient été  étudiées  fréquemment  en  hydrodynamique, en optique, en physique des plasmas, en électronique,  et  dans  de  nombreux  autres  domaines. Cependant,  aucune  de  ces  études  n'avaient  pris en  compte  les  propriétés  de  localisation  incontestables des perturbations.

Ces  nouveaux  résultats, publiés ce mois-ci dans la revue  prestigieuse  Physical Review X, sont le fruit  d’une  collaboration  internationale  entre chercheurs  basés en France, au Japon, en Russie et en Australie. Les meilleurs experts, à l’origine des  recherches  sur  les  ondes  de  type  soliton  et breather, ont  contribué à  ces travaux.  Les expériences  sont  faites  dans  deux  branches  différentes  de  la  physique  des  ondes,  l'optique  et l'hydrodynamique.  Grâce  à  leur  capacité  technique  exceptionnelle  pour  manipuler  les  ondes lumineuses et l'eau,  ils  ont prouvé l’existence de ces  nouvelles  ondes  « superregular  breathers » qui  reproduisent exactement  l’instabilité de modulation à partir de perturbations  localisées. 
Des expériences  déterminantes  ont  été  menées  sur des échelles de temps  qui diffèrent  de mille milliards de fois : de quelques secondes pour l’eau àquelques picosecondes pour la lumière. Il est important de souligner que réaliser simultanément  ces  expériences,  à  des  échelles  physiques  radicalement  différentes,  dans  deux branches distinctes de la physique des ondes, est d'une  importance  considérable  en  soi  et  extrêmement  rare.

A  notre  connaissance,  cette  méthodologie  est  la  première  de  son  genre  en science. En  exploitant  l’équivalence  mathématique  entre la propagation  d’ondes  non-linéaire  à la surface de  l’eau  et  l’évolution  d’impulsions  lumineuses intenses dans les fibres optiques,  cette approche multidisciplinaire  prouve  le  caractère  universel de  ces  structures  appelées  « superregular breathers ».  Celles-ci présentent  une dynamique d’amplification  unique  qui  peut  mener  à l’apparition  inattendue  d’ondes  d’amplitude extrême.  Ce  résultat  est  particulièrement  pertinent  pour  mieux  comprendre  comment  des vagues  scélérates  peuvent  se  former  et  disparaitre à la surface des océans.