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Le premier maser fonctionnant à température ambiante

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Historiquement, les masers ont précédé les lasers. Pourtant, ils n'ont jamais connu les développements de leurs cousins devenus des outils de la vie quotidienne. Cela va peut-être changer car des chercheurs britanniques viennent de trouver le moyen d'obtenir un effet maser à température ambiante avec un polymère.

Le prix Nobel de physique Norman Ramsey, né en 1915, est décédé à l'âge de 96 ans en 2011. Il est bien connu pour son invention en 1960 de la première horloge atomique basée sur un maser à hydrogène. © Adrienne Kolb, Fermilab History & Archives Project

En 1953, Charles H. Townes réalisa le premier amplificateur à micro-ondes, un dispositif fonctionnant sur des principes similaires à celui du laser, mais basé sur les micro-ondes plutôt que l'infrarouge ou le rayonnement visible. Ce premier maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation, soit amplification de micro-ondes par émission stimulée de rayonnement) ne fonctionnait pas en continu. Ce sont les physiciens russes Nikolay Basov et Aleksandr Prokhorov qui résoudront ce problème peu de temps après, obtenant le prix Nobel avec Townes en 1964. 

La réalisation du premier maser devait rapidement ouvrir la voie à celle du premier laser, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (en français : amplification de la lumière par émission stimulée de radiation). De nos jours, les lasers sont omniprésents parce qu'il est facile de produire un effet laser avec différents matériaux et sans demander de conditions physiques particulièrement exotiques. Jusqu'à une récente publication dans Nature faite par des physiciens britanniques, il n'en était pas de même pour les masers.

Car des masers utilisant des atomes et des molécules nécessitent des chambres à vide et, de plus, la puissance du rayonnement micro-onde émis est très faible. Bien plus puissants sont les masers réalisés avec des solides mais, là aussi, les conditions de production d'un effet maser restent bien peu pratiques. Les transitions entre des états de spin de différentes énergies pour des ions paramagnétiques dans un solide cristallin, productrices d'un effet maser, requièrent en effet de très basses températures.

Au centre de ce bloc de saphir éclairé en lumière jaune se trouve un cylindre contenant un polymère de p-terphenyl, dopé au pentacène. C'est le cœur du dispositif qui a manifesté un effet maser à température ambiante. © National Physical Laboratory

Ce n'est pas tout. En plus de devoir utiliser des dispositifs de réfrigération à hélium liquide, il faut aussi souvent faire intervenir des champs magnétiques intenses avec des aimants volumineux. On comprend donc bien que jusqu'à aujourd'hui, des dispositifs à effet maser étaient plus au moins confinés à des laboratoires et que bien des applications potentielles des masers n'aient pu voir le jour car peu pratiques et trop coûteuses.

Dans l'article de Nature, les physiciens du National Physical Laboratory à Teddington (UK) et de l'Imperial College London expliquent qu'ils se sont affranchis de tous ces obstacles grâce à un polymère de p-terphenyl, dopé au pentacène. De plus, alors que les masers traditionnels utilisant un matériau solide, comme le rubis, font appel initialement à une source de micro-ondes, un simple laser employé en médecine pour le traitement de lésions vasculaires suffit pour générer l'effet maser.

Mais quelles pourraient bien être les applications de ces premiers masers à température ambiante ?

Des masers pour Seti et la médecine

L'histoire peut déjà nous donner des indications. Le prix Nobel de physique Norman Ramsey a construit en 1960 la première horloge atomique basée sur un maser à hydrogène. Ce type d'horloge a été employé pour effectuer des tests précis de la relativité générale, en particulier avec l'expérience Gravity Probe A, celle qui a précédé la sonde Gravity Probe B. Sans ces horloges qui ont servi à déterminer précisément leurs positions avec des radiotélescopes, les sondes des missions Voyager n'auraient pas pu réaliser leur navigation dans le Système solaire et permettre d'explorer les planètes ardentes d'André Brahic.

Selon l'un des chercheurs britanniques, Mark Oxborrow, de tels masers ont des qualités qui leur permettraient d'amplifier avec un bruit plus faible des signaux radio captés par des radiotélescopes. Il ajoute : « Rêvons ici : vous pourriez faire un radiotélescope avec un très faible bruit, 100 fois plus sensible que le meilleur réalisé actuellement... ce type de maser pourrait être utilisé pour découvrir une intelligence extraterrestre qui n'a pas encore été détectée ».

Mais pour Oxborrow l'application la plus importante des masers à température ambiante sera peut-être la réalisation de scanners plus sensibles. En effet, ils permettraient de détecter des tumeurs à des stades plus précoces. En attendant la concrétisation de ces possibles applications, les chercheurs vont tenter d'améliorer leur dispositif. Pour le moment, ils n'ont pas obtenu un maser émettant des faisceaux en continu. Il leur faut aussi étendre les domaines de longueurs d'onde accessibles.

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