L’intérêt du laser sonique inventé par les chercheurs de Rochester est qu’il opère à une échelle mésoscopique comme celle des gouttelettes de liquide ou des petits organismes biologiques. © Photo Tom, Fotolia

Sciences

Après le laser optique, le laser sonique devient réalité

ActualitéClassé sous :physique , laser , son

Les lasers soniques sont les cousins des lasers optiques que nous connaissons bien. Des chercheurs se sont inspirés des travaux d'Arthur Ashkin sur les pincettes optiques pour créer un laser à phonons à une échelle qui leur laisse entrevoir de nombreuses applications.

En 2018, le prix Nobel de physique a été attribué, entre autres, à Arthur Ashkin, pour le développement de la pincette optique. Un instrument couramment utilisé dans les laboratoires pour « saisir » des micro-organismes sans les endommager par exemple. Et c'est justement grâce à une pincette optique que des chercheurs de Rochester (États-Unis) sont parvenus à mettre au point un laser sonique -- ou saser comme le surnomment certains --, capable d'opérer à une échelle mésoscopique.

Rappelons que tout comme le photon -- sorte de grain d'énergie lumineuse --, le phonon -- son pendant du côté des ondes sonores -- appartient à la famille des bosons. Voilà pourquoi les chercheurs travaillent à mettre au point un dispositif reposant sur le même phénomène que le laser, mais produit par des phonons.

Des chercheurs ont mis au point un laser à phonons à l’aide d’une pincette optique, comme celle illustrée ici, et d’une nanoparticule en lévitation. © A. Nick Vamivakas and Michael Osadciw, University of Rochester illustration

Synchroniser les vibrations par rétroaction

Pour ce faire, les chercheurs ont ici fait léviter une nanoparticule à l'aide d'un faisceau laser optique. Puis, ils ont étudié ses vibrations mécaniques. « Mesurer la position de la nanoparticule en détectant la lumière qu'elle diffuse et intégrer ces informations dans la pincette optique nous a permis de créer une situation semblable à celle que l'on observe dans un laser », explique Mishkat Bhattacharya, physicien« Les vibrations s'intensifient et se synchronisent parfaitement, comme les ondes électromagnétiques émises par un laser optique. »

Les chercheurs espèrent que leur laser sonique trouvera autant d'applications pratiques que son cousin optique, notamment dans les domaines de la détection et du traitement de l'information. Ils sont déjà convaincus qu'il les aidera à étudier certains phénomènes de la physique quantique et pourquoi pas, à donner vie à la célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger.

Pour en savoir plus

Le saser, le laser sonique, devient une réalité !

Père de l'effet laser et premier à appliquer l'hypothèse des quanta de Planck aux oscillations des atomes d'un solide, Albert Einstein est plus ou moins directement à l'origine du concept de phonon et bien sûr de photon. Deux équipes de chercheurs viennent de combiner les deux idées pour réaliser les premiers lasers soniques, des sasers.

Article de Laurent Sacco paru le 02/03/2010

Albert Einstein est le père aussi bien de l'effet laser que, indirectement, de celui de phonon. Crédit : domaine public

Le premier laser optique aura bientôt 50 ans. Il doit son existence à la découverte par Albert Einstein de la notion d'émission stimulée. Pour retrouver la loi de Planck décrivant le spectre du rayonnement de corps noir à partir de la théorie de l'atome de Bohr, Einstein conclut qu'il faut introduire des probabilités de transitions pour les électrons d'un atome lorsqu'ils émettent de la lumière. Surtout, ces probabilités augmentent lorsque l'atome lui-même est soumis à un rayonnement.

Il résultait de ce travail qu'une population d'atomes excités jusqu'à un certain niveau d'énergie devait, si l'on s'y prenait bien, se désexciter presque en même temps, un peu à la façon dont un caillou déclenche une avalanche. La lumière émise devait alors être intense et cohérente, c'est-à-dire d'une grande pureté spectrale.

Depuis, ce phénomène théorique s'est concrétisé de multiples manières. Le laser a envahi la technologie et même notre vie de tous les jours. Or, la notion de quanta d'énergie étant universelle, elle ne s'applique pas qu'aux oscillations du champ électromagnétique. Les atomes oscillant autour de leurs positions d'équilibre dans un solide cristallin doivent eux aussi être soumis aux restrictions de la théorie quantique, comme Einstein l'avait montré avant sa découverte sur l'effet laser. Son travail avait été appliqué par Debye dans le domaine des ondes sonores au sein d'un solide. De même qu'il doit exister des photons, ces grains d'énergie lumineuse, il doit exister des phonons, des grains d'énergie sonore.

Dans les deux cas, photons et phonons sont ce que l'on appelle des bosons et ont un comportement grégaire, par opposition aux particules de matière, comme les électrons ou les protons. Ce caractère bosonique étant à la racine de l'effet laser, on doit s'attendre à un phénomène semblable à celui du laser mais produit par ces phonons. On pourrait donc le baptiser S.A.S.E.R, pour Sound Amplification by Stimulated Emission of Radiation au lieu de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Un tel saser pourrait conduire à des applications aussi révolutionnaires que le laser. Depuis quelques dizaines d'années, certains chercheurs ont exploré ce concept et ont effectivement obtenu quelques résultats. En médecine, un saser pourrait notamment servir à détruire les calculs rénaux. Les physiciens des solides spécialistes des nanotechnologies sont particulièrement intéressés. Un saser, pourrait visualiser des coupes 3D d'une structure minuscule, alors qu'un microscope électronique ne peut en montrer que la surface. Une telle possibilité permettrait de vérifier la qualité des fines connexions métalliques des microcircuits électroniques, car les petits défauts dans les matériaux interagissent fortement avec les phonons.

Ces rêves commencent à se réaliser... Deux groupes de chercheurs, l'un de l'université de Nottingham (Royaume-Uni) et mené par Tony Kent, l'autre du California Institute of Technology (Caltech, Etats-Unis) et mené par Ivan Grudinin viennent d'annoncer dans deux publications indépendantes qu'ils avaient effectivement réussi à produire deux dispositifs saser. Le premier opère à des fréquences de l'ordre de 400 GHz et le second de l'ordre du mégahertz. Dans les deux cas, des lasers sont utilisés pour produire l'effet saser indirectement.

Abonnez-vous à la lettre d'information La quotidienne : nos dernières actualités du jour.

!

Merci pour votre inscription.
Heureux de vous compter parmi nos lecteurs !

Cela vous intéressera aussi

Kézako : le laser, une incroyable histoire de physique quantique  Le laser est né durant les années 1960, depuis il est petit à petit devenu incontournable dans beaucoup d’applications. Unisciel et l’université de Lille 1 nous expliquent durant cet épisode de Kézako le fonctionnement de cette invention révolutionnaire.