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Une nouvelle voie pour réaliser le mythique laser gamma

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Un physicien russe vient de proposer une nouvelle voie à explorer pour parvenir un jour à générer un laser gamma à partir de transitions dans un noyau atomique. Selon lui, on pourrait déjà obtenir un effet laser dans le domaine optique à l'aide de noyaux de thorium.

Un dessin illustrant l'émission d'un photon gamma par un noyau. Les protons sont en rouge. © Philippe C. Cattin, MIAC, Université de Bâle

C'est Paul Villard, un chimiste et physicien français, qui a découvert un curieux rayonnement en 1900, tandis qu'il étudiait le radium, récemment découvert et isolé par Marie Curie et son mari. Mais c'est en 1903 que l'on commença à en parler sous le terme de rayon gamma, sous la plume d'Ernest Rutherford. Le prix Nobel de physique avait lui-même déjà introduit les noms de rayons alpha et bêta en 1899 pour certaines formes de radioactivité.

On ne commença vraiment à comprendre l'origine des rayons gamma que dans les années 1930, à la suite des progrès de la physique nucléaire, basée sur la découverte de la mécanique quantique. Tout comme l'émission de la lumière dans le domaine des ultraviolets et des rayons X, il s'agissait de transitions entre différents niveaux d'énergies quantifiés. Mais au lieu de se produire dans les couches électroniques entourant le noyau d'un atome, elles se produisaient dans le noyau lui-même. Pour le comprendre et le modéliser, il avait fallu pour cela transposer le modèle en couches pour les électrons aux protons et neutrons des noyaux. Le premier à le faire fut le grand physicien ukrainien Dmitri Ivanenko à qui l'on doit des travaux importants aussi bien en physique nucléaire qu'en relativité générale.

Or, s'il existe des niveaux d'énergies quantiques dans un noyau pour les protons, il doit être possible de réaliser avec ces noyaux de l'émission stimulée, tout comme pour les atomes. Ce qui veut dire qu'il devrait être possible de faire un laser gamma, encore appelé un graser.

Un laser révolutionnaire mais toujours mythique

Les militaires s'intéressent depuis longtemps à la réalisation d'un graser, qui reste pour le moment mythique. Mais il y aurait aussi de nombreuses applications dans le domaine de la physique fondamentale, et probablement aussi en ingénierie, si l'on disposait un jour d'un laser à rayons gamma. On pourrait ainsi fabriquer des horloges nucléaires plus précises que des horloges atomiques et peut-être découvrir ainsi que certaines constantes fondamentales varient très lentement dans le temps, comme l'autorise la théorie des cordes.

Malheureusement, personne n'a jusqu'ici trouvé le moyen de contourner les obstacles à l'obtention d'un graser de laboratoire. 

Le physicien russe Eugene Tkalya propose, lui, dans un article disponible sur Arxiv et publié par Physical Review Letters, d'essayer d'obtenir d'abord un laser dans le domaine optique avec des noyaux. Selon ses calculs théoriques, il suffirait de substituer à certains atomes de calcium présent dans du LiCaAlF6 des atomes de thorium pour obtenir un matériau pouvant être le siège d'un effet laser.

De gauche à droite, Dmitri Ivanenko, Paul Dirac et Werner Heisenberg. © G. Sardanashvily

Les problèmes de l'inversion de population et du recul des noyaux

Il existerait alors en effet dans les noyaux de thorium associés aux autres éléments dans cette configuration, deux niveaux d'énergies similaires à ceux des électrons dans un atome. Des transitions atomiques dans le domaine presque optique et non plus gamma peuvent donc s'y produire. Mais le plus important est que les photons qui seraient émis le seraient à des fréquences ne leur permettant que très peu d'interagir avec les électrons des couches atomiques. Cependant pour obtenir un effet laser, il faut réaliser une inversion de population, c'est-à-dire forcer un grand nombre de nucléons sur l'état d'énergie le plus bas de ces deux niveaux à se trouver sur celui qui est le plus haut. Alors seulement une émission stimulée sous l'effet d'une radiation électromagnétique pourrait produire un effet laser.

D'après Tkalya, en utilisant d'abord un champ magnétique intense, ou un très fort gradient de champ électrique, puis des impulsions lasers dans l'ultraviolet, une telle inversion de population peut théoriquement être réalisée. Le premier obstacle à l'obtention d'un laser avec un noyau serait donc ainsi levé.

Le second obstacle, celui de l'émission cohérente de la lumière laser, pourrait quant à lui être levé en utilisant l'effet découvert par Rudolf Mössbauer et pour lequel il a reçu le prix Nobel. En effet, en émettant un photon gamma, un noyau subit un recul, traduisant une modification de la fréquence du photon gamma mesurée par un observateur au repos par rapport à un autre noyau. Cela peut rendre impossible l'émission stimulée d'un autre photon de même fréquence par un autre noyau. Toutefois, dans un réseau cristallin, les liaisons sont telles que c'est non plus à un seul noyau mais à tout le réseau que le transfert d'impulsion lié à l'émission du premier photon se fait.

En pratique, le recul des noyaux est infime et l'on pourrait donc bien obtenir un effet laser...

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