La plupart des gens connaissent les lasers optiques grâce à leur expérience avec les pointeurs laser. Mais qu'en est-il d'un laser fabriqué à partir d'ondes sonores ?

Ce qui différencie la lumière laser optique d'une ampoule ou du soleil, c'est que toutes les ondes lumineuses qui en émergent se déplacent dans la même direction et sont à peu près parfaitement synchronisées les unes avec les autres. C'est pourquoi le faisceau sortant du pointeur laser ne se propage pas dans toutes les directions.

En revanche, les rayons du soleil et la lumière d'une ampoule vont dans toutes les directions. C'est une bonne chose car sinon il serait difficile d'éclairer une pièce; ou pire encore, la Terre pourrait ne pas recevoir de lumière du soleil. Mais garder les ondes lumineuses en phase – les physiciens appellent cela la cohérence – est ce qui rend un laser spécial. Le son est aussi fait d'ondes.

Récemment, il y a eu un intérêt scientifique considérable pour la création de lasers à phonons dans lesquels les oscillations des ondes lumineuses sont remplacées par les vibrations d'une minuscule particule solide. En générant des ondes sonores parfaitement synchronisées, nous avons découvert comment fabriquer un laser à phonons - ou un "laser pour le son".

Dans le travail que nous avons récemment publié dans la revue Photonique de la nature , nous avons construit notre laser à phonons à partir des oscillations d'une particule – d'une centaine de nanomètres de diamètre – mise en lévitation à l'aide d'une pince optique.

Ondes synchronisées

Une pince à épiler optique est simplement un faisceau laser qui traverse une lentille et piège une nanoparticule dans les airs, comme le rayon tracteur dans "Star Wars". La nanoparticule ne reste pas immobile. Il oscille d'avant en arrière comme un pendule, le long de la direction du faisceau de piégeage.

Étant donné que la nanoparticule n'est pas fixée à un support mécanique ou attachée à un substrat, il est très bien isolé de son environnement environnant. Cela permet aux physiciens comme nous de l'utiliser pour détecter les faibles forces magnétiques et gravitationnelles dont les effets seraient autrement obscurcis.

Pour améliorer la capacité de détection, nous ralentissons ou « refroidissons » le mouvement des nanoparticules. Cela se fait en mesurant la position de la particule au fur et à mesure qu'elle change avec le temps. Nous transmettons ensuite ces informations à un ordinateur qui contrôle la puissance du faisceau de piégeage. Faire varier le pouvoir de piégeage permet de contraindre la particule pour qu'elle ralentisse. Cette configuration a été utilisée par plusieurs groupes à travers le monde dans des applications qui n'ont rien à voir avec les lasers sonores. Nous avons alors franchi une étape cruciale qui rend notre appareil unique et essentiel pour la construction d'un laser à phonons.

Cela impliquait de moduler le faisceau de piégeage pour faire osciller la nanoparticule plus rapidement, produisant un comportement semblable à celui d'un laser :les vibrations mécaniques de la nanoparticule ont produit des ondes sonores synchronisées, ou un laser à phonons.

Le laser à phonons est une série d'ondes sonores synchronisées. Un détecteur peut surveiller le laser à phonons et identifier les changements dans la configuration de ces ondes sonores qui révèlent la présence d'une force gravitationnelle ou magnétique.

Il peut sembler que la particule devient moins sensible car elle oscille plus vite, mais l'effet d'avoir toutes les oscillations synchronisées surmonte en fait cet effet et en fait un instrument plus sensible.

Applications possibles

Il est clair que les lasers optiques sont très utiles. Ils transportent des informations sur des câbles à fibres optiques, lire les codes-barres dans les supermarchés et faire fonctionner les horloges atomiques indispensables au GPS.

Nous avons développé à l'origine le laser à phonons comme un outil pour détecter les faibles champs magnétiques et gravitationnels, qui affectent les ondes sonores d'une manière que nous pouvons détecter. Mais nous espérons que d'autres trouveront de nouvelles utilisations pour cette technologie dans la communication et la détection, comme la masse de très petites molécules.

Du côté fondamental, notre travail s'appuie sur l'intérêt actuel pour tester les théories de la physique quantique sur le comportement d'ensembles de milliards d'atomes – à peu près le nombre contenu dans notre nanoparticule. Les lasers sont aussi le point de départ pour créer des états quantiques exotiques comme le célèbre état du chat de Schrödinger, qui permet à un objet d'être à deux endroits en même temps. Bien sûr, les utilisations les plus intéressantes du laser optique à phonons à pincettes pourraient bien être celles que nous ne pouvons pas prévoir actuellement.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.