Un laser à ultraviolet sous vide pourrait révolutionner la nanotechnologie et les horloges nucléaires

Daniel Strain

Des physiciens de l’Université du Colorado à Boulder ont démontré un nouveau type de laser à ultraviolet sous vide qui est 100 à 1000 fois plus efficace que les technologies existantes du même type. Les chercheurs affirment que l’appareil pourrait un jour permettre aux scientifiques d’observer des phénomènes actuellement hors de portée même des microscopes les plus puissants — comme suivre les molécules de carburant en temps réel lors de la combustion, détecter des défauts incroyablement petits dans la nanoélectronique et plus encore.

Le nouveau laser pourrait également permettre la réalisation d’horloges nucléaires pratiques et ultra-précises qui reposent sur une transition d’énergie dans les noyaux d’atomes de thorium. Ces dispositifs longtemps recherchés pourraient, en théorie, permettre aux chercheurs de suivre le temps avec une précision inégalée.

L’équipe est dirigée par les physiciens Henry Kapteyn et Margaret Murnane, membres du JILA, un institut de recherche conjoint entre CU Boulder et le National Institute of Standards and Technology des États-Unis (NIST). Jeremy Thurston, qui a obtenu son doctorat en physique de CU Boulder en 2024, a dirigé les travaux sur le nouveau laser.

« Les scientifiques travaillent sur les lasers ultraviolets sous vide depuis des décennies », a déclaré Kapteyn, professeur au Département de physique. « Nous pensons avoir enfin trouvé une voie prometteuse qui peut être augmentée en puissance et qui est compacte — deux exigences essentielles pour des applications exigeantes. »

L’équipe présentera ses résultats préliminaires lors des sessions des 17 mars et 19 mars au Global Physics Summit de l’American Physical Society à Denver, Colorado.

Toute lumière se présente sous forme de très petites ondes, un peu comme les crêtes et les creux de l’océan près du rivage. Les ondes de la lumière visible, par exemple, mesurent environ 380 à 750 nanomètres de crête à crête. Cela équivaut à plusieurs millionièmes de pouce.

Les scientifiques ont longtemps cherché à fabriquer de meilleurs lasers qui réduisent ces longueurs d’onde de plus en plus. 

Pendant des décennies, cependant, les scientifiques ont eu du mal à concevoir des lasers qui émettent des faisceaux lumineux brillants dans une région du spectre connue sous le nom d’ultraviolet sous vide (VUV) — où les longueurs d’onde atteignent environ 100 à 200 nanomètres, soit plusieurs fois plus petites que l’épaisseur d’un cheveu humain.

Le laser de Murnane et Kapteyn est suffisamment petit pour tenir sur un bureau ordinaire, et les chercheurs espèrent le rendre encore plus petit et plus efficace.

« Les longueurs d’onde plus courtes sont importantes car vous pouvez les utiliser pour fabriquer des microscopes à plus haute résolution », explique Murnane, professeur émérite de physique. « Si une réaction chimique se produit, vous pouvez voir quelles molécules sont présentes — pour voir, par exemple, comment elles ablèrent les tuiles d’une capsule spatiale lors de sa rentrée dans l’atmosphère. »

En profondeur

Murnane, Kapteyn et leurs étudiants ne sont pas étrangers aux lasers puissants.

Les chercheurs et leurs collègues ont précédemment pionnier la conception de lasers à rayons X sur table. Ces machines émettent des faisceaux lumineux qui oscillent plus d’un milliard de milliards de fois par seconde.

Les scientifiques du laser, cependant, n’ont pas eu beaucoup de chance pour percer dans l’ultraviolet sous vide, une région entre les rayons X et la lumière visible. Tous les types de matière, des solides aux atomes et molécules organiques, interagissent fortement avec la lumière ultraviolette sous vide. 

« Fondamentalement, tout absorbe la lumière dans cette gamme, c’est pourquoi l’ultraviolet sous vide est si intéressant et si difficile à maîtriser », souligne Kapteyn.

Pour contourner ces défis, le groupe de Kapteyn et Murnane a commencé avec des faisceaux laser ordinaires rouge et bleu.

L’équipe a combiné ces faisceaux dans une chambre spéciale appelée « fibre creuse à cœur anti-résonnant ». 

La fibre ressemble un peu aux câbles à fibres optiques qui transportent les données Internet vers et depuis votre maison. Mais cette chambre est constituée d’un seul tube creux entouré de sept tubes plus petits. (Les chercheurs la comparent au barillet d’un revolver). 

La lumière laser traverse le tube central et, ce faisant, percute des atomes de gaz xénon. Ces atomes absorbent la lumière et la restituent, transformant la lumière visible en lumière ultraviolette sous vide.

« À notre connaissance, aucune autre approche, que ce soit dans de grandes ou petites installations, n’a atteint les niveaux de puissance VUV, les plages de réglage et la cohérence que notre nouvelle approche a démontrés », affirme Murnane. 

Cela pourrait s’avérer utile. Murnane ajoute que de nombreuses technologies dépendent aujourd’hui de plus en plus de la nanoélectronique, ou de dispositifs incroyablement petits. Cela inclut les semi-conducteurs des puces informatiques de votre téléphone, ordinateur portable et plus encore. 

Le laser de l’équipe pourrait aider les ingénieurs à optimiser ces dispositifs — en détectant par exemple de minuscules défauts qui pourraient les rendre moins efficaces. 

Horloges nucléaires

Dans leur présentation, les chercheurs souligneront également comment cette approche pourrait également rendre réalité des horloges atomiques référencées nucléairement robustes et portables.

Murnane explique que si vous frappez un nuage d’atomes de thorium avec le laser réglé sur la bonne longueur d’onde, les atomes commenceront à fluctuer en énergie — un peu comme si l’on faisait osciller le pendule d’une horloge grand-père.

Les scientifiques pourraient suivre ce type de tic-tac pour aider les gens à naviguer sur le globe et dans l’espace sans GPS, ou même pour rechercher des planètes au-delà du système solaire terrestre.

Dans un effort séparé, des chercheurs dirigés par le physicien Jun Ye au JILA et au NIST ont fait des progrès majeurs dans le développement d’une telle horloge.

Murnane ajoute que les atomes de thorium « tictaquent » uniquement lorsqu’ils sont exposés à une lumière d’une longueur d’onde exactement de 148,3821 nanomètres — dans le domaine de l’ultraviolet sous vide.

Actuellement, les scientifiques génèrent cette lumière à l’aide de lasers qui occupent souvent des pièces entières. Murnane et Kapteyn pensent qu’ils peuvent réaliser exactement la même performance avec leur nouveau laser, qui serait moins cher et plus facile à déployer.

L’équipe a encore beaucoup de travail à faire. Les chercheurs expérimentent des moyens de rendre leur laser ultraviolet sous vide plusieurs fois plus petit sans le rendre moins efficace — un défi d’ingénierie.

« Il y a beaucoup d’applications pour lesquelles nous aimerions utiliser la lumière VUV, mais il n’y a jamais eu de lasers pratiques », conclut Murnane. « Maintenant, un énorme bloc du spectre s’ouvre où la lumière est super sensible aux détails exquis des atomes, molécules et matériaux. »

Source : Colorado U.