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8 juin 2016 3 08 /06 /juin /2016 07:04

La Recherche hors-série 14 : La Lumière

Les lasers de l'extrême

(Sylvain Guilbaud)

 

Bella est le laser le plus puissant en activité, en quelques millionième de milliardième de seconde il peut délivrer mille fois la puissance du réseau électrique mondial. Il explore les interactions extrêmes entre lumière et matière.

 

Ces lasers fonctionnent sur le principe habituel auquel s'ajoutent deux ingrédients : une énergie élevée et une impulsion de quelques femtosecondes. Rapidité possible avec une énergie de l'ordre du nanojoule mais difficile avec un petawatt qui produit une onde dont le front se déforme. Pour contourner ce problème Gérard Mourou, professeur au Haut Collège de Polytechnique, inventa une méthode d'amplification à dérive de fréquence. Sur ce principe le premier laser petawatt vit le jour au LBNL en 1995. Deux projets sont en cours de réalisation en France, ils devraient pousser leurs premiers cris, lancer leur premier tir, cette année. Les puissances en jeu sont titanesque mais les installations également. Avec une telle intensité un tir laser arrache à sa cible matérielle une grande partie de ses électrons, les projetant vers l'avant, alors que les protons, plus lourds, restent en retrait.

De nouveaux pans de l'interaction lumière-matière se présentent avec pour objectif la matérialisation des particules ''virtuelles'' qui agitent le vide, ou la reproduction en laboratoire des conditions de températures régnant dans les étoiles. Ces lasers de très haute intensité peuvent être de très bons accélérateurs de particules et donc être capables de détruire des tumeurs cancéreuses sans requérir une installation gigantesque. La technologie petawatt représente un enjeu important pour la France.

 

D'autres installations petawatt sont en cours d'élaboration dans le monde mais Gérard Mourou imagine déjà la plateforme Izest envisageant des lasers exawatt (1018watts) et même zetawatt (1021). La course n'est pas prête de franchir la ligne d'arrivée.

 

Photons à la demande

(Benoît Boulanger, Sara Ducci, jean-Michel Gérard)

 

Pour la physique, la lumière est une onde électromagnétique se propageant dans le vide. Elle est aussi constituée de grains, les photons, dont l'énergie dépend de la longueur d'onde. Le développement de la mécanique quantique a permis d'affiner notre compréhension de cette double nature de la lumière.

Les photons sont caractérisés par leur longueur d'onde, direction de propagation et polarisation. Le défi est de produire de nouveaux états de la lumière pour contrôler ces paramètres et concevoir des sources lumineuses capables d'émettre des photons ''sur demande''.

Depuis une vingtaine d'années plusieurs laboratoires développent des sources lumineuses capables de générer des photons unique, des paires, ou des trios. Les propriétés de ces photons sont nouvelles puisque quantiques. Les paires par exemples présentent des liens plus forts que la lumière naturelle ou les lasers : on parle de photons intriqués. Les mesures de l'un permettent de connaître les valeurs de l'autre quelle que soit la distance qui les sépare.

En 2001 fut présenté la première source de photons uniques monomode, ceux-ci étaient émis avec un ''pistolet à photons'', une boîte quantique, assemblage de matériaux semi-conducteurs de la taille du nanomètre dans lesquels les électrons peuvent présenter des niveaux d’énergie distincts, comme dans un atome.

Il est délicat de manipuler et contrôler un atome unique. La fabrication des boîtes quantiques est pourtant bien maîtrisée et a permis de développer les sources de photons uniques les plus performantes à ce jour. Pour émettre un atome dans la direction voulue il faut placer la boîte au cœur d'une microcavité optique : une cage à photons de taille comparable à celle de la longueur d'onde de la lumière émise par la boîte et capable de confiner les photons dans n'importe quelle direction grâce à des miroirs.

 

Si les sources de photons uniques ouvre la perspective de maîtriser de nouveaux états de la lumière, les sources de paires de photons sont un pas de plus dans ce monde quantique. Pour les produire il faut induire une réponse optique non linéaire en éclairant avec un laser certains types de matériaux permettant que la lumière d'une certaine fréquence s'y propage pour faire vibrer ses électrons. Une onde lumineuse qui éclaire le matériau donne naissance à deux nouvelles ondes de fréquences différences : une ''scission'' d'un photon en deux photons d'énergie moindre dont la somme correspond à l'énergie du photon incident.

En 2004 la première émission de triplets de photons est réalisée à Grenoble. Pour cela il faut une intensité lumineuse de plus de 200 milliards de watts par centimètre carré. Intensité atteinte grâce à un laser envoyant des impulsions de l'ordre du millième de milliardième de seconde focalisé dans un cristal non linéaire. Les expériences en cours à l’Institut Néel de Grenoble visent à réduire le nombre de photons de stimulation nécessaire pour ne récupérer que les triplets de photons pour manipuler ce nouvel état de la lumière présentant des corrélations quantiques surprenantes et différentes des paires de photons ou d'un laser. Ces triplets permettraient un cryptage avec deux clés secrètes. Le premier portant l'information codée, les autres permettant de la décrypter. 

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Publié par Lee Rony - dans J'ai lu Science
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