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Le saser, le laser sonique, devient une réalité !

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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.

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.

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