Forces induced by coherent effects

par Ariane Soret

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Karyn Le Hur et de Éric Akkermans.

Soutenue le 13-09-2019

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) , en partenariat avec École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Centre de physique théorique (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) .

Le président du jury était Gilles Montambaux.

Le jury était composé de Karyn Le Hur, Éric Akkermans, David S. Dean, Juan José Sáenz, Sylvain Gigan, Olivier Arcizet, Giovanni Jona-Lasinio.

Les rapporteurs étaient David S. Dean, Juan José Sáenz.

  • Titre traduit

    Forces induites par effets cohérents


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous étudions les effets cohérents associés à la propagation d’ondes dans les milieux diffusants, en particulier les ondes électromagnétiques.En milieux faiblement désordonnés, l'intensité lumineuse fluctue spatialement sur de grandes distances. Ce phénomène est le résultat d'effets cohérents mésoscopiques complexes, qui se produisent à une échelle microscopique. Nous montrons que ces fluctuations mésoscopiques cohérentes de la lumière induisent des forces de rayonnement d'un nouveau genre. L'amplitude de ces forces fluctuantes est déterminée par un paramètre unique et facilement réglable, la conductance adimensionnée, qui dépend à la fois de la géométrie et des propriétés de diffusion du milieu. Notre découverte devrait donc avoir des applications intéressantes, telles que de nouveaux capteurs pour la matière molle ou la biophysique.Du point de vue méthodologique, nous utilisons une approche à la Langevin pour décrire les fluctuations lumineuses cohérentes, où un bruit précisément calculé rend compte des effets cohérents mésoscopiques. Nous montrons comment inclure systématiquement les corrections cohérentes dans le terme de bruit, afin de reproduire les fluctuations d'intensité. Cette description permet de comprendre les fluctuations cohérentes comme résultant d’un flux lumineux hors équilibre, caractérisé par deux paramètres seulement, le coefficient de diffusion et la mobilité, qui sont par ailleurs liés par une relation d’Einstein. Un avantage évident de cette méthode est sa dépendance à deux paramètres seulement, ce qui fournit une description à la fois compacte et précise des riches effets cohérents sous-jacents. De plus, la correspondance que nous présentons entre la lumière cohérente et l'hydrodynamique hors d'équilibre est facilement généralisable à une large classe de problèmes d'ondes quantiques ou classiques.Pour les perspectives futures, cette connexion entre les effets cohérents mésoscopiques et les processus stochastiques hors équilibre devraient intéresser les communautés de la mésoscopie et de la mécanique statistique. Pour les premiers, le lien avec l'hydrodynamique hors équilibre fournit un nouvel éclairage sur la physique mésoscopique, ainsi que des outils utiles pour étudier les quantités jusqu'ici difficiles d'accès, telles que les fonctions de corrélation d'intensité d'ordres supérieurs. Pour les seconds, ces travaux devraient motiver une étude plus approfondie des processus indépendants du temps inspirés de la mésoscopie.


  • Résumé

    In this work, we study coherent effects associated to wave propagation in scattering media, in particular electromagnetic waves.In weakly disordered media, light intensity fluctuates spatially over large distances. This phenomenon is the result of complex mesoscopic coherent effects, which occur at a microscopic scale. We show that these mesoscopic coherent fluctuations of light induce radiation forces of a new kind. The strength of these fluctuating forces is determined by a single and easily tunable parameter, the dimensionless conductance, which depends on both the geometry and the scattering properties of the medium. Our findings should therefore have interesting applications such as new sensors in soft condensed matter or biophysics.On the methodological viewpoint, we use a hydrodynamic Langevin approach to describe the coherent light fluctuations, where a properly tailored noise accounts for mesoscopic coherent effects. We show how to systematically include the coherent corrections in the noise term, in order to reproduce the intensity fluctuations. This description allows to understand coherent light fluctuations as resulting from a non equilibrium light flow, characterized by two parameters only, the diffusion coefficient and the mobility, otherwise related by an Einstein relation. A clear asset of this method is its dependence upon two parameters only, which provides a compact yet accurate description of the rich underlying coherent effects. Moreover, the mapping we present between coherent light and out of equilibrium hydrodynamics is easily generalizable to a large class of quantum or classical wave problems.For future perspectives, this connection between coherent effects in mesoscopics and non equilibrium stochastic processes should be of interest in both the mesoscopics and statistical mechanics communities. For the former, the mapping to non equilibrium hydrodynamics provides a new insight to mesoscopic physics as well as useful tools to study quantities so far difficult to access, such as higher orders intensity correlation functions. For the latter, this work should motivate further study of time independent processes inspired from mesoscopics.


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