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La lumière laser térahertz concentrée à l’extrême
On ne peut pas concentrer une impulsion lumineuse à volonté, ni dans le temps, ni dans l’espace. Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer ont à présent atteint les limites physique et produit la plus petite impulsion lumineuse possible : ils sont les premiers à avoir réussi à le faire. Ils ont utilisé à cet effet de la lumière térahertz, physiquement apparentée à la lumière visible ou aux ondes radio, mais qui se distingue au niveau de sa longueur d’onde. Dans le cadre de l’expérience, un cristal spécial a été exposé à de la lumière laser et excité de la sorte pour émettre la lumière térahertz. Cette dernière a ensuite été focalisée par un système de miroirs, de manière à produire l’impulsion lumineuse hautement concentrée. Le défi, lors de ce processus, a consisté à faire en sorte que la lumière térahertz produite soit d’une qualité suffisante pour pouvoir être concentrée. En tant qu’instrument de recherche, la lumière térahertz à haute intensité revêt de plus en plus d’importance. Elle permet en effet de modifier de manière ciblée le comportement des matériaux, et ainsi d’étudier leurs propriétés.
On ne peut pas rétrécir une impulsion lumineuse à volonté, car elle doit inclure au moins une
crête. Une équipe de recherche emmenée par Christoph Hauri, chercheur au PSI et à l’EPF Lausanne, a développé un procédé qui permet d’atteindre véritablement cette limite physique fondamentale et de produire des impulsions lumineuses dont le volume est le plus petit possible et la durée la plus brève possible. Pour ce faire, les scientifiques ont généré une impulsion laser térahertz. Ils l’ont ensuite concentré au maximum de ce que permet la physique, dans toutes les directions de l’espace et dans le temps.
Sur le principe, la lumière térahertz est apparentée aux rayons X, à la lumière visible, aux micro-ondes ou aux ondes radio, qui sont toutes des formes de rayonnement électromagnétique. Elles ne se différencient les unes des autres que par leur longueur d’onde, c’est-à-dire par la distance entre deux crêtes qui se succèdent dans une onde lumineuse. La longueur d’onde de la lumière térahertz est d’environ 0,1 à 1 mm, ce qui représente 100 à 1000 fois celle de la lumière visible. La plus brève durée possible de l’impulsion lumineuse dépend donc aussi de la lumière utilisée.
La lumière térahertz permet de sonder des matériaux
Les chercheurs espèrent que les explorations à la lumière térahertz intense permettront de sonder de manière nouvelle le comportement de matériaux novateurs. Grâce à elle, il est en effet possible de contrôler le comportement des électrons au cœur des matériaux, de manière à modifier clairement, pour un bref instant, les propriétés de ces derniers. Ainsi, certains matériaux isolants se transforment par exemple en métaux lorsqu’ils sont exposés à de la lumière térahertz correspondante. Cela permet de réaliser des miroirs, qui n’existent que le temps d’un battement de paupière et ne reflètent la lumière que durant ce bref laps de temps. Les chercheurs espèrent que la lumière térahertz leur permettra de dégager des éléments de connaissances, susceptibles de contribuer au développement de nouveaux capteurs ou d’appareils optiques novateurs et extrêmement rapides, comme des miroirs capables de commuter très vite entre réflexion et transparence. Ou encore des modulateurs optiques, grâce auxquels les propriétés de la lumière peuvent être modifiées rapidement.
Pour cette expérience, il est donc nécessaire de concentrer fortement l’impulsion laser térahertz. En effet c’est ainsi que le champ électrique et le champ magnétique de l’impulsion atteignent les valeurs nécessaires pour arracher les électrons à leur état normal et ensuite les déplacer rapidement et de manière contrôlée dans le matériau exposé. Il y a encore quelques années, il n’existait pratiquement pas de possibilités de produire de la lumière térahertz intense. Les instruments nécessaires pour concentrer fortement la lumière manquaient aussi. Avec le nouveau procédé des chercheurs du PSI, une production efficace de la lumière térahertz est désormais possible.
Comme base de départ, les chercheurs ont utilisé un système laser femtoseconde conventionnel, dont la lumière a été convertie en lumière térahertz à l’aide d’un cristal spécial appelé DAST. Pour produire leur impulsion lumineuse térahertz extrêmement intense et courte, les chercheurs ont focalisé la lumière en un petit point, en se servant d’un agencement particulier de miroirs. Mais pour qu’un faisceau puisse être concentré de manière aussi précise, il doit être d’emblée d’une grande qualité – les chercheurs disent qu’il doit être doté d’un front d’onde plan. Un phénomène que l’on connaît bien avec les loupes : si elles peuvent concentrer la lumière du soleil en un seul point, c’est parce que les rayons du soleil sont parallèles les uns aux autres. Dans une pièce avec beaucoup de lampes, en revanche, il serait impossible de concentrer toute la lumière en un seul point.
Plusieurs étapes pour arriver à l’impulsion lumineuse parfaite
Les chercheurs du PSI se sont retrouvés face à un problème analogue : les faisceaux térahertz sont produits à différents endroits du cristal, et se propagent donc dans des directions légèrement divergentes. Aujourd’hui, il n’existe pas de procédé direct permettant de corriger après coup ces directions de propagation. Mais on peut modifier de manière ciblée le faisceau laser incident, qui excite le cristal. Cependant, comme les propriétés du faisceau térahertz ne dépendent pas seulement de celles du faisceau laser, mais aussi de celles du cristal, il ne suffit pas de déterminer les propriétés du faisceau laser pour spécifier celles du faisceau térahertz.
Néanmoins, l’adaptation du faisceau de départ s’est avérée la bonne voie à suivre. Les chercheurs ont modifié en plusieurs étapes les propriétés du faisceau laser et la direction du cristal, de manière à ce que le faisceau térahertz s’améliore au fur et à mesure. Ils ont donc développé un procédé fiable, qui permet de concentrer la lumière térahertz pour différents cristaux, et ce dans le volume espace-temps le plus réduit qu’autorisent les lois de la physique.
Text: Paul Scherrer Institut/Paul Piwnicki