The speed of light in vacuum (« what remains when everything has been removed« ) is one of the most important universal constants in physics. It defines the unit of time and length of space. However, the quantum theory of electromagnetism (QED) predicts that the speed of light in vacuum should decrease when vacuum is stressed by an intense electromagnetic field. This astonishing optical property of the vacuum has never yet been observed.
The DeLLight experiment ((Deflection of Light by Light) seeks to measure this effect using ultra short and ultra intense laser pulses (50 femtosecondes, 2 Joule per pulse), delivered by the LASERIX laser facility of the IJCLab laboratory (University of Paris-Saclay). These laser pulses are focused in a vacuum volume of a few hundred cubic micrometers, producing extremely intense electric and magnetic fields (about 1013 V/m and 105 Tesla). A second low intensity laser pulse (named probe pulse) crosses at the same time this volume of vacuum in which the speed of light is modified. This probe beam is then deviated, like a light beam passing through an optical lens or being deviated by a mirage effect (see Figure 1). But here the bending of the light occurs in the empty space disturbed only by an intense laser pulse. The predicted deflection is extremely small, of the order of a few tenths of a picoradian (corresponding to the displacement of the probe beam by a distance of about the size of an atom after 1 km of propagation). This deviation of the probe beam is detected thanks to the use of a Sagnac interferometer which allows to amplify the signal displacement.
A positive measurement by the DeLLight experiment would be a major result. Indeed, it would demonstrate experimentally that the speed of light in vacuum can be reduced, in the classical sense of the term at the macroscopic scale, when one applies intense fields on the vacuum.
The DeLLight project is funded by the ANR french national agency.
Figure 1 : Schematic view of the refraction of the low energy probe laser pulse (in blue) by the intense pump pulse (in red). The probe pulse crosses the vacuum index gradient imprinted in vacuum by the pump pulse. The wave planes are thus rotated (refraction) and the probe pulse is deflected by an angle θ.
Version française :
La vitesse de la lumière dans le vide (« ce qu’il reste quand on a tout retiré ») constitue une des grandes constantes universelles en physique. Elle définit l’unité de temps et de longueur d’espace. Cependant la théorie quantique de l’électromagnétisme prédit que la vitesse de la lumière dans le vide devrait diminuer lorsque ce dernier est soumis à un champ électromagnétique intense. Cette étonnante propriété du vide n’a encore jamais été observée expérimentalement.
L’expérience DeLLight (Deflection of Light by Light) cherche à mesurer cet effet en utilisant des impulsions laser ultra brèves (environ 50 femtosecondes) et ultra intenses (environ 2 Joule par impulsion), délivrées par la plateforme LASERIX du laboratoire IJCLab (Université Paris-Saclay). Ces impulsions laser sont focalisées dans un volume de vide de quelques centaines de micromètre cube, produisant des champs électriques et magnétiques extrêmement intenses (environ 1013 V/m ou 105 Tesla). Une seconde impulsion laser de basse intensité, dite impulsion sonde, traverse au même instant ce petit volume de vide dans lequel la vitesse de la lumière est modifiée. Ce faisceau sonde est alors dévié, tel un rayon lumineux traversant une loupe optique ou étant dévié par un effet de mirage. Mais ici la courbure de la lumière se produit dans l’espace vide perturbé uniquement par une impulsion laser intense. La déviation prédite est extrêmement faible, de l’ordre de quelques dixièmes de picoradian (correspondant au déplacement du faisceau sonde d’une distance d’environ la taille d’un atome après 1 km de propagation). Cette déviationdu faisceau sonde est détectée grâce à l’utilisation d’un interféromètre de Sagnac qui permet d’amplifier le déplacement du signal
Le projet DeLLight est financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR).
L’effet de réfraction d’un faisceau lumineux dans le vide soumis à un champ électromagnétique intense n’a été testé expérimentalement qu’une seule fois en 1960 par R.V. Jones (Nature 1960, Royal Society 1961) en utilisant un champ magnétique statique transverse d’environ 1 Tesla, configuré selon une forme de prisme optique. Malgré une excellente sensibilité de mesure d’environ 0.5 picoradians, la limite obtenue était d’environ 10 ordres de grandeur au-delà du signal attendu à cause d’un champ magnétique relativement faible. Dans le cas de l’expérience DeLLight, le champ magnétique dans la zone d’interaction des deux impulsions pompes est d’environ 105 Tesla. La variation d’indice de réfraction variant comme le carré du champ, la sensibilité attendue de l’expérience DeLLight sera donc de presque 10 ordres de grandeur plus élevée que lors de l’expérience de Jones.