Personne n'avait jamais été aussi près du laser idéal auparavant :théoriquement, la lumière laser n'a qu'une seule couleur (également fréquence ou longueur d'onde). En réalité, cependant, il y a toujours une certaine largeur de trait. Avec une largeur de ligne de seulement 10 mHz, le laser que les chercheurs du Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ont maintenant développé en collaboration avec des chercheurs américains du JILA, a établi un nouveau record du monde. Cette précision est utile pour diverses applications telles que les horloges atomiques optiques, spectroscopie de précision, radioastronomie et pour tester la théorie de la relativité. Les résultats ont été publiés dans le dernier numéro de Lettres d'examen physique .

Les lasers étaient autrefois considérés comme une solution sans problèmes - mais c'est maintenant de l'histoire ancienne. Plus de 50 ans se sont écoulés depuis la première réalisation technique du laser, et nous ne pouvons imaginer comment nous pourrions vivre sans eux aujourd'hui. La lumière laser est utilisée dans de nombreuses applications dans l'industrie, la médecine et les technologies de l'information. Les lasers ont provoqué une véritable révolution dans de nombreux domaines de la recherche et de la métrologie - ou ont même rendu possible de nouveaux domaines en premier lieu.

L'une des propriétés exceptionnelles d'un laser est l'excellente cohérence de la lumière émise. Pour les chercheurs, il s'agit d'une mesure de la fréquence régulière et de la largeur de raie de l'onde lumineuse. Idéalement, la lumière laser n'a qu'une seule longueur d'onde (ou fréquence) fixe. En pratique, le spectre de la plupart des types de lasers peut, cependant, portée de quelques kHz à quelques MHz en largeur, ce qui n'est pas suffisant pour de nombreuses expériences nécessitant une grande précision.

La recherche s'est donc concentrée sur le développement de lasers toujours meilleurs avec une plus grande stabilité de fréquence et une largeur de raie plus étroite. Dans le cadre d'un projet commun de près de 10 ans avec les collègues américains de JILA à Boulder, Colorado, un laser a maintenant été développé au PTB dont la largeur de raie n'est que de 10 mHz (0,01 Hz), établissant ainsi un nouveau record du monde. "Plus la largeur de raie du laser est petite, plus la mesure de la fréquence de l'atome dans une horloge optique est précise. Ce nouveau laser va nous permettre d'améliorer de manière décisive la qualité de nos horloges", Le physicien de la PTB, Thomas Legero, explique.

En plus de la largeur de ligne extrêmement réduite du nouveau laser, Legero et ses collègues ont découvert au moyen de mesures que la fréquence de la lumière laser émise était plus précise que jamais auparavant. Bien que l'onde lumineuse oscille env. 200 billions de fois par seconde, il ne se désynchronise qu'au bout de 11 secondes. D'ici là, le train d'ondes parfait émis a déjà atteint une longueur d'env. 3,3 millions de kilomètres. Cette longueur correspond à près de dix fois la distance entre la Terre et la Lune.

Comme il n'y avait pas d'autre laser d'une précision comparable dans le monde, les scientifiques travaillant sur cette collaboration ont dû mettre en place deux de ces systèmes laser d'emblée. Ce n'est qu'en comparant ces deux lasers qu'il a été possible de prouver les propriétés exceptionnelles de la lumière émise.

La pièce maîtresse de chacun des lasers est un résonateur en silicium Fabry-Pérot de 21 cm de long. Le résonateur se compose de deux miroirs hautement réfléchissants qui se font face et sont maintenus à une distance fixe au moyen d'un double cône. Semblable à un tuyau d'orgue, la longueur du résonateur détermine la fréquence de l'onde qui se met à osciller, c'est à dire., l'onde lumineuse à l'intérieur du résonateur. Une électronique de stabilisation spéciale garantit que la fréquence lumineuse du laser suit constamment la fréquence naturelle du résonateur. La stabilité en fréquence du laser - et donc sa largeur de raie - ne dépend alors que de la stabilité en longueur du résonateur Fabry-Pérot.

Les scientifiques du PTB ont dû isoler presque parfaitement le résonateur de toutes les influences environnementales qui pourraient modifier sa longueur. Parmi ces influences figurent les variations de température et de pression, mais aussi des perturbations mécaniques externes dues aux ondes sismiques ou sonores. Ils ont atteint une telle perfection en le faisant que la seule influence restante était le mouvement thermique des atomes dans le résonateur. Ce "bruit thermique" correspond au mouvement brownien dans tous les matériaux à température finie, et il représente une limite fondamentale à la stabilité de longueur d'un solide. Son étendue dépend des matériaux utilisés pour construire le résonateur ainsi que de la température du résonateur.

Pour cette raison, les scientifiques de cette collaboration ont fabriqué le résonateur à partir de silicium monocristallin qui a été refroidi à une température de -150 °C. Le bruit thermique du corps en silicium est si faible que les fluctuations de longueur observées proviennent uniquement du bruit thermique des couches miroirs diélectriques SiO2/Ta2O5. Bien que les couches de miroir n'aient que quelques micromètres d'épaisseur, ils dominent la stabilité de longueur du résonateur. Au total, la longueur du résonateur, cependant, ne fluctue que dans la plage de 10 attomètres. Cette longueur ne correspond pas à plus d'un dix millionième du diamètre d'un atome d'hydrogène. Les variations de fréquence résultantes du laser s'élèvent donc à moins de 4 × 10-17 de la fréquence laser.

Les nouveaux lasers sont maintenant utilisés à la fois au PTB et au JILA à Boulder pour améliorer encore la qualité des horloges atomiques optiques et pour effectuer de nouvelles mesures de précision sur les atomes ultrafroids. Au PTB, la lumière ultrastable de ces lasers est déjà distribuée via des guides d'ondes optiques et est ensuite utilisée par les horloges optiques de Braunschweig.

"À l'avenir, il est prévu de diffuser cette lumière également au sein d'un réseau européen. Ce plan permettrait des comparaisons encore plus précises entre les horloges optiques de Braunschweig et les horloges de nos collègues européens de Paris et de Londres", dit Légero. À Boulder, un plan similaire est en place pour distribuer le laser sur un réseau de fibres qui se connecte entre JILA et divers laboratoires du NIST.

Les scientifiques de cette collaboration voient d'autres possibilités d'optimisation. Avec de nouvelles couches de miroir cristallin et des températures plus basses, le bruit thermique gênant peut être encore réduit. La largeur de raie pourrait alors même devenir inférieure à 1 mHz.