Depuis son invention, le laser a été un outil inestimable en physique. On s'attend à ce qu'un laser atomique - avec les ondes lumineuses remplacées par les ondes quantiques des atomes - puisse avoir des applications tout aussi importantes, par exemple dans la construction d'horloges ultra-précises. Une équipe de recherche dirigée par Florian Schreck, chercheur à l'UvA, a maintenant fait d'importants progrès vers la création du premier laser à atomes continu. Les résultats de l'équipe ont été publiés dans Lettres d'examen physique plus tôt cette semaine.

Dans un laser ordinaire, les ondes lumineuses forment un état dit cohérent :lorsque ces ondes sortent du laser, ils oscillent tous exactement de la même manière, avec la même fréquence et la même phase. La mécanique quantique nous dit que les particules dont nous sommes constitués, quarks, des électrons et même des atomes entiers, ont également des propriétés ondulatoires. Mais peut-on aussi mettre des atomes dans un état cohérent ? Ou peut-on construire un laser où, au lieu de la lumière, nous brillons avec des atomes ?

Que la réponse théorique à cette question soit « oui » est un fait que tout étudiant en physique peut facilement prouver. En réalité, disposer d'un tel appareil serait extrêmement utile :les vibrations collectives des atomes pourraient être utilisées par exemple pour calibrer des horloges atomiques ultra-précises. Cependant, transformer la théorie en un dispositif fonctionnel réel n'est pas aussi facile qu'il y paraît. Jusque là, les lasers à atomes ont été créés en extrayant un faisceau d'atomes d'un condensat dit de Bose-Einstein, un nuage de gaz à très basse température dans lequel tous les atomes sont dans le même état d'onde quantique. Cependant, mettre les atomes dans le même état ne résout qu'une partie du problème. Pour la plupart des applications d'un laser à atomes, ils doivent travailler en continu. Le vrai défi est donc d'amener les atomes dans le même état d'onde assez rapidement, afin que le laser atomique ait accès à un apport continu de ces particules cohérentes.

La création d'un condensat Bose-Einstein implique généralement le refroidissement d'un gaz en plusieurs étapes sur des dizaines de secondes. Cependant, le faisceau laser à atomes extrait ne dure que tant que des atomes restent dans le condensat, généralement un temps beaucoup plus court de seulement quelques fractions de seconde. Après cette fraction de seconde, une nouvelle fourniture doit être effectuée, ce qui prend à nouveau des dizaines de secondes - et ainsi de suite.

Schreck et son équipe, post-doctorant Benjamin Pasquiou et les doctorants Shayne Bennetts et Chun-Chia Chen, proposent désormais de réaliser une alimentation continue en séparant les différentes étapes de refroidissement dans l'espace plutôt que dans le temps. Chaque étape se déroule à un endroit différent :les atomes sont refroidis par des lasers ordinaires pendant qu'ils sont en route vers l'endroit où le faisceau laser atomique final sera créé. L'équipe y parvient en utilisant intelligemment les propriétés particulières du strontium, un élément avec juste la bonne structure électronique pour être refroidi lentement, pas à pas, alors qu'il est "en mouvement".

En utilisant leurs méthodes, Schreck et ses collaborateurs ont maintenant réussi à mettre en œuvre les premières étapes du refroidissement continu, conduisant à l'existence permanente d'un nuage de gaz qui est beaucoup plus froid et beaucoup plus dense que dans toute tentative précédente. Ils ont en outre montré que leur schéma fournit suffisamment d'atomes froids pour être compatible avec la création d'un condensat de Bose Einstein existant en permanence. L'étape finale consiste bien sûr à fabriquer un laser à atomes à l'aide de ce condensat permanent - une étape qui, selon Schreck, devrait avoir lieu dans l'année prochaine. Cela réaliserait son rêve :créer un laser atomique qui n'a jamais besoin de s'arrêter pour se recharger.