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On peut refroidir des solides à -118°C... avec un laser

ActualitéClassé sous :physique , réfrigération optique , laser

A l'aide de lasers, on sait amener certains gaz presque au zéro absolu. Mais appliqué aux solides, le même procédé n'atteint même pas la température de l'azote liquide. Cet écueil n'est peut-être que provisoire d'après un groupe de chercheurs qui vient de descendre à 155 kelvins.

Le déplacement de Stokes se produit lorsque la raie ré-émise par un système atomique ne correspond pas à celle absorbée. Lorsque la longueur d'onde est supérieure, on parle de déplacement Stokes. C'est ce que l'on voit sur ce schéma où l'intensité des raies est en ordonnée avec la longueur d'onde en abscisse. Dans le cas contraire, c'est un déplacement anti-Stokes. Licence Commons

On aurait tendance à penser qu'un faisceau laser doit inévitablement chauffer un objet comme le feraient les rayons du Soleil concentrés par une loupe. De plus, à part dans le cas récent d'un des ennemis de Batman, Mr Freeze, les faisceaux laser décrits par la science-fiction font fondre les objets, comme le montre aussi Star Wars.

Pourtant les auteurs des aventures récentes de Batman semblent être au courant de la physique la plus récente car les physiciens descendent bien à des températures de l'ordre du microkelvin grâce à des faisceaux de lasers. Ils produisent ainsi des atomes ultra-froids et les célèbres condensats de Bose-Einstein depuis 1995.

La même année, une équipe du Los Alamos National Labs utilisait elle aussi des lasers mais, cette fois-ci, pour refroidir des solides. Les températures étaient encore plutôt chaudes et le point de fusion de la glace n'était à l'origine même pas atteint.

A la différence du cas des atomes ultra-froids qui étaient obtenus au moyen d'un phénomène appelé refroidissement Doppler, le refroidissement optique des solides fait intervenir ce qu'on appelle le déplacement anti-Stokes.

Lorsqu'on soumet un corps à un rayonnement centré sur une raie spectrale bien particulière, il arrive que les photons émis soient plus énergétiques que les photons incidents. C'est ce processus, le déplacement anti-Stokes donc, qui emporte l'énergie thermique initialement sous forme de phonons dans un solide cristallisé. Rappelons que les phonons sont l'équivalent des photons mais pour les ondes élastiques dans un solide. De la chaleur s'y retrouve sous cette forme puisque l'agitation thermique fait osciller les atomes autour de leurs positions d'équilibre dans un cristal. L'idée d'utiliser cet effet pour refroidir un solide est ancienne car elle fut proposée en 1929 par le physicien Peter Pringsheim.

Dans un réseau cristallin très pur comprenant des atomes d'ytterbium sous forme d'ions, ces derniers peuvent donner lieu à un phénomène de fluorescence anti-Stokes particulièrement important et on pouvait donc s'en servir pour atteindre des températures assez basses. Assez rapidement les chercheurs sont descendus à 208 K (-65 °C).

Aujourd'hui, Mansoor Sheik-Bahae, professeur à l'Université de New Mexico, vient de repousser les limites de la technique du refroidissement optique par laser pour les solides en atteignant avec ses collègues la température de 155 K. Là encore, les atomes d'ytterbium ont été utilisés avec un cristal de LiYF4. Les chercheurs ont même dépassé ce qu'il était possible de faire avec des cellules à effet Peltier exploitant l'effet de refroidissement thermoélectrique.

Le domaine de la réfrigération cryogénique est donc atteint mais Sheik-Bahae pense que les résultats qu'ils ont exposés dans un article récent de Nature Photonics ne sont qu'un prélude. Il devrait être possible d'atteindre la température de l'azote liquide et peut-être même 10 K. En tout cas, les 100 K devrait être à portée de la main. En attendant, même si l'effet Peltier permet de descendre à 107 K, l'efficacité du procédé est désormais bien moindre que dans le cas du refroidissement par laser.

Dans un avenir proche, cette technique pourrait déboucher sur une électronique supraconductrice miniaturisée. On peut aussi imaginer des capteurs d'infrarouge ou de rayons gamma n'imposant plus des réservoirs d'hélium ou d'azote liquide pour des instruments astronomiques, comme c'est le cas par exemple pour les satellites Spitzer et Planck.

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