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Quand les atomes deviennent transparents

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Des chercheurs britanniques de l'Imperial College of London, associés à des scientifiques de l'université de Neuchâtel, ont mis en évidence un nouvel effet optique rendant transparents des objets solides opaques. Applications : l'exploration du corps humain, la recherche dans des décombres suite à un tremblement de terre...

L'effet repose sur le développement de nouveaux matériaux exploitant les états d'énergie des atomes ainsi que leur interaction avec un laser d'une façon tout à fait nouvelle (1) . Avec, à la base, rien moins qu'une découverte qui contredit... Einstein et sa théorie de « l'inversion de population » à la base du fonctionnement d'un laser.

Le matériau actif au sein duquel se produit l'effet laser, généralement un gaz ou un cristal, est composé d'atomes qui sont dans un premier excités de façon à ce que la majorité des électrons se placent dans un état quantique d'énergie élevée. C'est ce qu'on appelle « l'inversion de population ». Une fois cette inversion réalisée, un faisceau lumineux est appliqué sur le matériau pour stimuler les électrons, qui vont revenir dans leur état de basse énergie en émettant tous un photon de la même longueur d'onde (on parle de lumière cohérente). Les photons émis vont désexciter à leur tour d'autres atomes, amplifiant ainsi le faisceau d'origine. C'est ce phénomène qui produit le rayon laser puissant et concentré.

Des atomes « artificiels »

Les physiciens anglais menés par le professeur Chris Phillips, avec leurs collègues en Suisse, ont tout d'abord démontré qu'un matériau peut émettre des photons de façon cohérente sans pour autant passer par le stade de l'inversion de population. Ainsi, un solide semi-conducteur nanocristallin créé pour l'occasion, fabriqué à partir de couches d'arséniure de gallium, d'aluminium et d'indium, va se comporter comme un ensemble d'atomes « artificiels » dont les électrons présenteraient non pas deux mais trois états d'énergie. Le matériau agit tel un assemblage d'atomes dont les trois niveaux d'énergie et les passages de l'un à l'autre vont pouvoir être contrôlés : dans certaines conditions il pourra émettre de la lumière même si plus de 80 % des électrons restent dans leur état initial de basse énergie. L'effet a déjà été observé dans des gaz, mais n'avait jamais été mis en évidence ici dans un solide.

Conséquence inattendue de ce phénomène : le matériau va devenir « transparent » en exploitant un effet optique particulier appelé « transparence induite électromagnétiquement » ou EIT. En utilisant une pompe laser on va piloter les transitions entre les différents niveaux d'énergie des électrons, comme vu plus haut. Sous certaines conditions, la probabilité de transition entre deux des trois niveaux peut tomber à zéro : une seconde sonde laser, réglée sur une fréquence en résonance avec cette énergie de transition, va alors traverser le matériau sans être absorbée ! La lumière incidente peut être totalement contrôlée à l'intérieur du cristal : ralentie, stoppée, stockée. A la clé : exploration du corps humain, stockage de l'information sont envisageables à long terme...

(1) "Gain Without Inversion in Semiconductor Nanostructure," Nature Materials 5 175

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