Des recherches passionnantes et révolutionnaires sur les radars sont issues de la thèse de doctorat d’un chercheur postdoctoral de l’Institut Périmètre

Mais en quelques années seulement, Barbara Šoda, chercheuse postdoctorale à l’institut Périmètre, a vu ses travaux de doctorat sur les superoscillations se transformer en une première expérience de démonstration de principe par une équipe de chercheurs de l’Université Chapman en Californie.

Cela pourrait aboutir à une sorte de « super radar » qui pourrait avoir d’importantes applications dans l’armée, la construction, l’archéologie, la minéralogie et bien d’autres domaines.

Les résultats, dont Šoda est co-auteur, ont été publiés début août dans la revue Physical Review Letters et mis en évidence en tant qu’article de suggestion des éditeurs. L’équipe a démontré une résolution de la portée radar plus de 100 fois supérieure à la limite longtemps considérée.

« Nous pensons que ce travail ouvrira une multitude de nouvelles applications et améliorera les technologies existantes », a déclaré John Howell, auteur principal de l’article, dans un communiqué de presse  de l’Université Chapman.

Encyclopædia Britannica, types de radiation éctromagnétique

Sur le spectre électromagnétique, les longueurs d’onde du radar sont plus longues que celles des rayons X, par exemple.

Le radar est généralement utilisé dans des applications telles que le contrôle du trafic aérien ou le radar à pénétration de sol sur les sites archéologiques. Néanmoins, pour obtenir une image précise de la cavité à l’intérieur d’une dent ou des poumons, les longueurs d’onde plus longues du radar ne permettent pas d’obtenir une résolution suffisamment précise. C'est la raison pour laquelle de nombreuses applications médicales utilisent des longueurs d'onde plus courtes, comme les rayons X, même si ces derniers ont tendance à générer des rayonnements ionisants plus nocifs.

Il y a quelques années, lorsque Šoda était doctorante sous la supervision d’Achim Kempf, professeur affilié à l’Institut Périmètre et professeur à l’Université de Waterloo, et de Lucien Hardy, membre du corps professoral de l’Institut Périmètre. Elle s’est attaquée au problème de la manière de rendre le radar plus largement applicable.

Depuis longtemps, un compromis entre la longueur d’onde et la résolution de la distance. « Normalement, pour avoir une bonne résolution, une résolution fine ou une imagerie fine, il faut utiliser des longueurs d’onde courtes », explique Kempf. « Si vous utilisez des longueurs d’onde longues, vous avez besoin de plus de précision. C’est ce que les travaux théoriques de Barbara permettent d’obtenir soit une précision bien meilleure. »

Pour y parvenir, sa méthode implique des oscillations d’ondes, et plus précisément, des superoscillations.

La plupart des gens ont déjà vu des représentations d’ondes sinusoïdales, c’est-à-dire des formes d’ondes qui oscillent (montent et descendent, d’un côté à l’autre). En règle générale, ces ondes oscillent seulement aussi rapidement que leur composante de fréquence la plus élevée. Mais dans les années 1990, Yakir Aharonov (affilié à l’Université Chapman et ancien titulaire de la chaire de chercheur invité distingué à l’institut Périmètre) a eu une idée assez surprenante. Des combinaisons spéciales de ces ondes sinusoïdales peuvent produire des régions qui oscillent plus rapidement que n’importe lequel des constituants des ondes. C’est ce qu’on a désigné sous le nom de superoscillation. L’idée a été développée par Sandu Popescu de l’Université de Bristol (et titulaire de la chaire de chercheur invité distingué à l’institut Périmètre), Sir Michael Berry, également de l’Université de Bristol (et ancien conseiller scientifique à l’institut Périmètre) et leurs collègues.

Depuis longtemps, on pensait que les superoscillations pouvaient améliorer la résolution des radars, mais on ne savait pas encore comment les générer de manière efficace. C’est ce sur quoi Šoda a examiné dans sa thèse.

Selon M. Kempf, la thèse de doctorat de Šoda, intitulée « Nouveaux aspects des interactions quantiques : transparence induite par l’accélération, spectres de berceau de Newton, superoscillations », a fourni des « astuces mathématiques », a fourni des « astuces mathématiques » pour construire et concevoir ces superoscillations.

« Nous avons trouvé un moyen de concevoir la forme de ces superoscillations, dans cet intervalle où elles oscillent rapidement. Nous pouvons concevoir à quoi elles ressemblent, avec précision, ce qui n’était pas possible auparavant », explique Šoda.

Lors d’une conférence ultérieure, Šoda et Kempf ont discuté de la méthode avec l’un des chercheurs de Chapman et ils ont relevé le défi de développer de nouveaux types de signaux qui améliorent le fonctionnement du radar.

D’après le communiqué de presse de l’Université Chapman, l’idée révolutionnaire découle sur la superposition de ces formes d’ondes spécialement conçues. L’équipe de recherche a utilisé des impulsions spécialement conçues pour générer un nouveau type d’impulsion superposée.

In règle générale, l’interférence des ondes superposées serait préjudiciable. Cependant, Andrew Jordan, directeur des études quantiques à l’Université Chapman et l’un des co-auteurs de l’article, a déclaré qu’ils étaient capables d’utiliser ces formes d’ondes spécialement conçues pour améliorer considérablement la résolution de la portée des radars de « plusieurs ordres de grandeur ».

Il y a d’autres expériences qui se profilent à l’horizon. « Nous travaillons actuellement à démontrer qu’il est possible de mesurer non seulement la distance entre deux objets, mais aussi de nombreux objets ou d’effectuer une caractérisation détaillée des surfaces », a déclaré Howell dans le communiqué de presse.

Šoda a grandi à Šibenik, en Croatie, et a toujours eu le rêve de devenir violoncelliste professionnel. Cependant, elle est devenue fascinée par la science. Pendant son adolescence, elle a participé à une école d’été en Croatie où des élèves du secondaire travaillaient avec des doctorants sur des projets de recherche et étaient encouragés à poser des questions profondes. Elle a continué à se poser ces questions lorsqu’elle est arrivée à l’Institut Périmètre pour faire sa maîtrise dans le cadre du programme des Boursiers Internationaux de l'Institut Périmètre. Elle a choisi de rester, attirée par la liberté de poursuivre des idées originales et interdisciplinaires.

L’amélioration de la résolution des radars a des applications potentielles dans toutes sortes de technologies, de la technologie médicale à la prospection minière en passant par la détection des mines terrestres. « Les possibilités sont pratiquement illimitées », déclare Kempf.

Néanmoins, il souligne que le radar n’est pas le seul domaine dans lequel Šoda a apporté des contributions brillantes.

« Lorsque Barbara a commencé son doctorat, elle cherchait des sujets sur lesquels travailler, et j’en ai mentionné beaucoup. Barbara a choisi plusieurs d’entre eux, et dans chacun d’eux, elle a apporté des contributions remarquables qui ont donné lieu à d’excellents articles », déclare Kempf. Elle est co-auteure d’articles sur la gravité quantique, l’émergence de l’espace-temps à partir de fluctuations et la dynamique quantique classique, entre autres sujets, dans les archives de prépublication (arXiv).

Šoda explique que son poste postdoctoral à l’Institut Périmètre est axé sur l’interdisciplinarité, ce qu’elle apprécie. Pourtant, dans le cadre de cette recherche de grande envergure, voir les idées de son doctorat prendre vie dans des expériences est extrêmement excitant pour une jeune chercheuse. « C’est une sensation incroyable », dit Šoda.