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10 découvertes 2009

Lasers survoltés

[10] _Génie mécanique - Université McGill
Dominique Forget - 27/04/2010
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Comment décupler la puissance des lasers? Grâce aux points quantiques.

«Un laser, c’est un peu comme un sprinter, explique Patanjali Kambhampati. Quand il bondit des blocs de départ, il est pétant d’énergie. Tôt ou tard, cependant, il finit par s’essouffler.» Usain Bolt, le fantastique recordman du monde du 100 m, a tout le loisir de se reposer après sa course, mais lorsqu’on a affaire à un laser qui doit communiquer par fibre optique des messages Internet d’un bout à l’autre de l’océan, on aimerait qu’il ne s’arrête pas à mi-chemin.

Les lasers développés par le professeur de 39 ans n’ont pas ce problème. C’est qu’ils sont munis de points quantiques, faits de cristaux de cadmium et de sélénium. Constitués d’à peine quelques milliers d’atomes, ils décuplent la puissance des lasers.

Tous les matériaux sont composés d’atomes. Un diamant de un carat en contient environ 100 000 milliards. Lorsqu’on le soumet à une source d’énergie, comme de la chaleur, de la lumière ou de l’électricité, les électrons à l’intérieur des atomes s’excitent. «Ils s’éloignent de leur noyau et font la fête», illustre Patanjali Kambhampati. Quand la fête est finie, ils reprennent sagement leur position et se débarrassent de l’énergie qu’ils avaient absorbée en émettant un photon, c’est-à-dire une particule de lumière.

Mais quand on applique une source d’énergie à un point quantique, les choses se déroulent un peu différemment. Oui, les électrons s’excitent et s’éloignent de leur noyau, mais ils ne peuvent pas faire la fête comme bon leur semble. Ils doivent obligatoirement occuper des niveaux d’énergie bien déterminés, un peu comme s’ils étaient dans du fromage emmental et ne pouvaient aller se loger que dans ses trous.

Quand vient le moment pour ces électrons de reprendre leur état normal, après la fête, ils émettent des photons de façon parfaitement cohérente, en phase les uns avec les autres. On obtient ainsi une lumière ultra concentrée: un rayon laser.

Les lasers actuellement sur le marché sont munis de puits quantiques, des structures en deux dimensions, et non de points en trois dimensions. «Dans un point, les écarts entre les niveaux d’excitation sont plus grands que dans un puits, explique le chercheur. Cela force les électrons à monter des “marches” plus hautes et, lorsqu’ils retombent, à produire un laser plus concentré en énergie.»

Comme les marches entre les niveaux d’excitation sont très hautes, les électrons qui voudraient retomber trop vite ont bien du mal à le faire. Les pertes inutiles sont ainsi évitées.

«Pour une même quantité d’énergie fournie à un point et à un puits quantiques, le point produira un laser plus puissant et plus efficace, dont la lumière pourra voyager plus loin», résume le chercheur montréalais dont les résultats ont été publiés dans la bible des physiciens, Physical Review Letters, en mars 2009. Les qualités du sprinter alliées à celles du marathonien.

Il y a longtemps que l’on tente d’emprisonner des points quantiques pour produire des lasers. Des chercheurs d’un peu partout dans le monde s’y consacrent depuis 20 ans. Sans grands résultats. On commençait même à croire qu’une loi de la physique encore inconnue l’empêchait.

Les travaux de Patanjali Kambhampati, réalisés avec ses étudiants au doctorat Ryan Cooney et Sam Sewall, ont tout changé. «Il faut faire très attention à la manière selon laquelle on excite le point quantique, combien de photons on lui applique et à quelle vitesse, explique le professeur. Si on se trompe, les photons émis lorsque les électrons retombent ne sont pas parfaitement en phase, et ils s’annulent les uns les autres.» Le laser perd ainsi de son efficacité.

Patanjali Kambhampati s’est récemment associé à Zetian Mi, du département de génie électrique et d’informatique de McGill, afin d’imaginer d’autres applications pour les points quantiques. On envisage de créer des lasers plus efficaces et moins chers, autant pour les lecteurs DVD que pour les grands systèmes de télécommunications. Usain Bolt n’a qu’à bien se tenir.

Photo: Flickr, Andrew "FastLizard4" Adams

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