La technologie laser fait un bond prodigieux
Une équipe de recherche financée par l'UE de l'université d'Innsbruck a inventé un laser à atome unique qui fonctionne sur le même principe qu'un laser classique, mais dispose également de propriétés de mécanique quantique dans ses interactions atome-photon. Les résultats de la recherche, publiés dans la revue Nature Physics, permettront de mieux comprendre les propriétés des lasers et seront utilisés pour mesurer les gaz à l'état de traces et les compositions des isotopes de carbone dans l'air et le sol. Le soutien de l'UE provient des projets QUBITS («Quantum based information processing and transfer using single atoms and photons») et QUEST, tous deux financés au titre du cinquième programme-cadre (5e PC), ainsi que du projet SCALA («Scalable quantum computing with light and atoms»), financé au titre du sixième programme-cadre (6e PC). Un financement supplémentaire a été accordé par la Fédération de l'industrie autrichienne du Tyrol et le Fonds autrichien pour la science. Les premiers lasers (des ondes de lumière électromagnétique fabriquées artificiellement et pouvant être manipulées par des lentilles) ont été développés il y a seulement 50 ans. Aujourd'hui, la technologie laser fait partie intégrante de notre vie quotidienne. Elle est utilisée dans de nombreux domaines, notamment dans les secteurs de l'électronique, de la médecine, de l'industrie, de la santé et de la beauté, de la sécurité et des loisirs. Un laser classique est un milieu amplificateur (appareil d'amplification) à l'intérieur d'une cavité optique à haute réflexion dans laquelle la lumière est amplifiée. Dans un laser de la sorte, la puissance de sortie augmente nettement lorsqu'un seuil particulier est atteint. À ce moment-là, le gain (amplification) équivaut aux pertes lorsque la lumière circule dans la cavité. Plus le nombre de photons augmente, plus l'amplification de la lumière est forte. L'équipe de recherche de l'université d'Innsbruck a décidé de démontrer qu'un seuil laser pouvait être franchi dans l'élément structural le plus petit possible d'un laser, à savoir un atome unique en interaction avec un mode unique dans une cavité optique. Pour ce faire, les chercheurs ont confiné un ion calcium dans un piège à ions et l'ont excité avec des lasers externes. La cavité optique dans ce piège est composée de deux miroirs qui piègent et accumulent les photons émis par l'ion dans un mode. L'ion est excité de manière cyclique par un laser externe et à chaque cycle, un photon est ajouté au mode de la cavité qui amplifie la lumière. Pour un couplage atome-cavité puissant, le régime de l'atome et la cavité montre un comportement en accord avec celui prévu par la mécanique quantique: seuls les photons uniques peuvent être introduits dans la cavité. «Ainsi, l'émission et le seuil stimulés sont absents», expliquait l'auteur principal de l'étude, François Dubin de l'université d'Innsbruck. Ces dernières recherches viennent à la suite d'une étude similaire réalisée il y a plusieurs années dans laquelle on démontrait l'effet d'un laser quantique. Cette nouvelle recherche est différente en ce que le couplage peut être adapté au mode de la cavité. L'équipe de recherche a découvert qu'en choisissant le paramètre adéquat du laser, elle pouvait atteindre une excitation plus forte et ainsi ajouter davantage de photons dans la cavité. Bien que la cavité ne comporte encore moins qu'un photon, les chercheurs ont tout de même pu observer une émission stimulée sous la forme d'un seuil. «Un atome unique est un amplificateur très faible. Aussi le seuil est-il bien moins prononcé que dans des lasers classiques», déclarait le Dr Piet Schmidt de l'université d'Innsbruck. Dans un laser classique, plus l'excitation est forte, plus les résultats sont importants, mais ce n'est pas le cas pour le laser à atome unique de l'université d'Innsbruck. Dans leur appareil, le résultat est réprimé. L'équipe entend poursuivre ses recherches en étudiant la transition entre les lasers quantiques et traditionnels, par le biais de l'ajout contrôlé de plus en plus d'ions afin d'interagir avec le champ de lumière.
Pays
Autriche