Une équipe de chercheurs allemands annonce avoir construit le laser le plus « pointu » du monde permettant une largeur de ligne de seulement 10 millihertz (0,01 hertz). Ce nouveau record laisse entrevoir des horloges atomiques plus précises ou encore de meilleures données sur l’astronomie radio.
Être capable de concentrer un laser en un point serré a de nombreuses applications en sciences. Par exemple, la découverte des ondes gravitationnelles (ondulations dans l’espace-temps prédites par Einstein il y a cent ans) a été rendue possible grâce à l’émission de deux lasers dans l’espace pour détecter de petites fluctuations de l’espace-temps. La largeur de ligne (la largeur de la bande de fréquences de rayonnement) de la plupart des lasers est en revanche encore trop grande pour mener des expériences de très haute précision. C’est pourquoi des chercheurs en physique expérimentale tentent divers moyens de pouvoir développer des lasers avec une largeur de ligne plus étroite. En ce sens, une belle avancée vient d’être faite. Les résultats de cette étude ont été publiés dans les Physical Review Letters.
Une équipe de chercheurs allemands vient en effet de battre un record en construisant un laser permettant une largeur de ligne de seulement 10 millihertz (0,01 hertz). « Plus la largeur de ligne du laser est petite, plus la mesure de la fréquence de l’atome dans une horloge optique est précise », explique le physicien Thomas Legero, du National Metrology Institute of Germany ou PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) qui a participé à l’étude. « Ce nouveau laser nous permettra d’améliorer de manière décisive la qualité de nos horloges ».
Près de dix années de travail auront été nécessaires aux chercheurs pour atteindre ce nouveau record. Le dispositif se distingue notamment par un résonateur de silicium Fabry-Pérot utilisé pour contrôler la longueur d’onde lumineuse à travers deux miroirs fixes placés l’un en face de l’autre et fixés à l’intérieur d’un double cône. La longueur de l’espace entre ces miroirs, en particulier sa stabilité, contrôle la largeur de ligne du laser à l’intérieur. Le but est donc de maintenir ces miroirs aussi stables que possible.
Garantir le plus de stabilité possible implique notamment l’élimination des interférences des variations de pression, des vibrations des ondes sonores et sismiques ou encore des fluctuations de température. La tâche finale consiste à minimiser le mouvement thermique des atomes dans le résonateur, le mouvement brownien qui se produit dans tous les matériaux à une température finie : pour ce faire, le résonateur a été fabriqué à partir de silicium monocristallin et a été refroidi à une température de -150 °C.
Ainsi le laser le plus fin du monde est né avec une largeur de ligne de seulement 10 mégahertz. Les chercheurs expliquent dans leur papier que les ondes lumineuses du laser, oscillant environ 200 trillions de fois par seconde, restent stables pendant environ onze secondes, de quoi lui permettre de faire au moins cinq allers-retours Terre-Lune pour vous donner une idée.
Pour l’instant, les lasers sont utilisés pour améliorer la qualité des horloges atomiques optiques et pour mesurer des atomes ultra-abondants avec une plus grande précision. À l’avenir, les lasers pourraient également être utilisés pour mesurer le rayonnement électromagnétique avec plus de précision et même pour tester la théorie de la relativité d’Einstein.
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