Le laser et la physique des particules

Contexte historique

Le laser est au début du XXIe siècle utilisé dans le monde entier dans des domaines très différents allant des lecteurs de DVD ou lecteurs de codes barres des caisses de supermarché, à la chirurgie oculaire où son utilisation quasi généralisée a transformé des opérations délicates en opérations rapides et peu intrusives. Il est aussi utilisé dans des domaines moins connus du grand public, comme par exemple, l'expérimentation en physique des particules pour confiner des atomes dans un état déterminé. Le laser à atomes en est lui à ses premières expérimentations.

Le LASER, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, ou en français amplification de la lumière par émission stimulée du rayonnement, a été développé dans les années 1960 (voir le document Le laser à gaz carbonique) mais son principe de fonctionnement est basé sur le phénomène d'émission stimulée qui a été décrite par Einstein dès 1917 ; c'est donc un pur produit de la théorie quantique. Ces lasers sont des lasers que l'on qualifiera « de lumière » ou « à photons » en opposition au laser à atomes. Le laser est une source de lumière cohérente dans laquelle les photons qui sont émis ont tous les mêmes caractéristiques, ce qui permet d'obtenir un faisceau d'une seule couleur qui se propage en ligne droite, sans s'élargir.

A la base d'un laser à atomes, il y a un condensat de Bose-Einstein , c'est-à-dire le résultat d'une condensation de Bose-Einstein dont la théorie date de 1925. Le premier condensat de Bose-Einstein est obtenu en 1995 car les problèmes techniques à surmonter sont nombreux pour arriver à faire atteindre aux atomes d'Hélium cet état de la matière : une température proche du O°K soit -273°C et des atomes d'Hélium freinés dans leur course par un piège constitué de lasers et d'aimants.

En février 2001, c'est le laboratoire d'Optique de la faculté d'Orsay qui réussit à mettre au point le premier laser à atomes.

Éclairage média

Dès le lancement plateau, la journaliste Béatrice Schönberg nous précise que le sujet va être ardu, mais que des applications intéressantes sont envisagées. Nous sommes quelques semaines après l'exploit du laboratoire d'Optique d'Orsay qui a réussi à obtenir un faisceau laser à partir d'un condensat de Bose-Einstein et ce une semaine avant le grand laboratoire Alfred Kastler de l'Ecole Normale Supérieure. Le journaliste équilibre d'ailleurs le reportage en commençant par évoquer les 3 prix Nobel de physique du laboratoire de Normale Sup : celui d'Alfred Kastler en 1966 pour le pompage optique qui a contribué à l'invention du laser, celui de Claude Cohen-Tannoudji en 1997 pour ses travaux sur le refroidissement des atomes et en particulier le confinement électromagnétique et celui de Serge Haroche en 2012 pour ses travaux sur les systèmes quantiques individuels.

Puis nous entrons dans le laboratoire et c'est dans un enchevêtrement de câbles et d'appareils que le journaliste nous présente le sujet sur un nouvel « état de la matière » . Il est assez surprenant que le nom de condensat de Bose-Einstein ou de mécanique quantique ne soit jamais cité dans ce reportage, tout juste parle-t-il du plus connu des physiciens, Einstein, sans citer le nom du physicien indien Satyendranath Bose auquel cet état est associé.

Le reportage se poursuit par une interview de Chris Westbrook, directeur de recherche au laboratoire Charles-Fabry de l'institut d'optique du CNRS et de l'Université Paris Sud (Orsay), où il explique avec des mots simples et précis la manière dont les atomes se comportent à très basse température. Il peut être intéressant de remarquer que la science se fait à un niveau international et que ce directeur de recherche du CNRS qui travaille en France a un léger accent lorsqu'il parle le français. Il utilise les mots « ondes » et « particules » mais là encore il ne parle ni de condensat de Bose-Einstein ni de physique quantique. A la suite de ce reportage, une animation très didactique nous permet de bien visualiser le comportement des atomes et le principe du laser à atomes comparé au laser classique.

Puis on revient vers le laboratoire d'Alfred Kastler avec un doctorant qui reprend l'explication et une intervention de Michèle Leduc, directrice de recherche CNRS à l'Ecole Normale Supérieure, qui donne les applications possibles de ces nouveaux lasers et en particulier la nano-gravure qui utilise le fait que ces lasers sont extrêmement précis. Le tableau blanc situé derrière elle, littéralement rempli d'équations dans tous les sens est assez remarquable, un vrai tableau de chercheur ou tout au moins l'image que le grand public s'en fait !

Comme le grand physicien et pédagogue Richard Feynman l'a affirmé « Je crois que je peux me risquer à dire que personne ne comprend la mécanique quantique ». Il est difficile d'évoquer la physique quantique à la télévision, et pourtant, sans la nommer, c'est cette physique quantique compliquée qui trouve ici une illustration compréhensible.