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Un laser aléatoire à atomes froids

30 mai 2013

INLN - UMR 7335

Des physiciens niçois viennent de réaliser un laser sans miroir dans un nuage d’atomes froids. Ils envisagent d’utiliser ce premier «laser aléatoire» utilisant une vapeur atomique pour élucider le rôle de la diffusion dans l’émission dans les lasers naturels observés en astrophysique dans des gaz stellaires ou des atmosphères planétaires.

Dans un laser, le système optique fait passer et repasser la lumière un très grand nombre de fois au travers d’un milieu qui amplifie son amplitude jusqu’à produire un faisceau très intense et concentré. Dans certaines situations, lorsque la diffusion au sein du milieu amplificateur est très importante, l’émission laser peut se produire même sans système optique extérieur, on parle alors de laser aléatoire. La compréhension de ces systèmes est actuellement difficile, car il s’agit soit des systèmes observés en astrophysique, soit des systèmes photoniques fonctionnant en impulsion. Pour ces derniers il est difficile de caractériser finement les propriétés du milieu amplificateur et diffusant. Des physiciens de l’Institut Non Linéaire de Nice - INLN (CNRS / Université de Nice Sophia-Antipolis) viennent pour la première fois de réaliser un laser aléatoire qui fonctionne en continu dans un nuage d’atomes froids, un milieu dont les propriétés sont facilement accessibles. La possibilité de contrôler les paramètres expérimentaux et de modéliser finement ce système à l’échelle microscopique en fait un outil de choix pour tester les différentes approches théoriques et pour mieux comprendre les lasers aléatoires astrophysiques. Ce résultat est publié dans la revue Nature Physics.

Réaliser un laser aléatoire nécessite de combiner dans un même milieu l’amplification de la lumière et une diffusion efficace. Dans un nuage atomique, ces deux rôles doivent être joués par les mêmes atomes ce qui ne va pas de soi, car en général, ces deux phénomènes se produisent à des fréquences différentes. Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs ont utilisé la richesse de la structure électronique de l’atome de rubidium. L’amplification est obtenue grâce au mécanisme dit «de transition Raman stimulée». Les physiciens ont mis à profit le fait que cette transition est en partie accordable pour faire coïncider la fréquence de l’amplification avec la fréquence d’une autre transition atomique, qui produit de la diffusion sans être perturbée par le laser intense. Un second laser, accordé sur une transition encore différente, contrôle les niveaux des populations atomiques et stabilise le niveau d’amplification à un niveau constant, ce qui permet une émission laser quasi-continue. L’apparition du fonctionnement en laser aléatoire se traduit par l’augmentation de la fluorescence du nuage atomique lorsque son épaisseur optique augmente, c’est-à-dire lorsque le nombre d’atomes est suffisant pour que la rétroaction par diffusion devienne significative. Comme prédit pour un laser aléatoire, cette augmentation atteint un seuil avec la taille de l’échantillon.

Des physiciens viennent de montrer que la luminescence à deux photons permet de visualiser efficacement la densité locale d’état pour les plasmons de surface. Cette méthode leur a permis d’analyser la structure spatiale des modes plasmoniques présents à la surface de nanoprismes d’or et du couplage entre les modes de deux nanoprismes contigus.

La plasmonique exploite les modes d’oscillation collective des électrons présents à la surface des métaux nobles pour réduire la taille des dispositifs de traitement de l’information optique en deçà de la limite de diffraction. Dans ces systèmes, c’est la densité locale d’états qui détermine l’efficacité du couplage entre ces modes collectifs, les plasmons, et la lumière. Alors que les méthodes habituelles de mesure de cette densité d’états ne fournissent que des informations partielles, des physiciens du Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Études Structurales - CEMES (CNRS) ont démontré que des états plasmoniques localisés peuvent être sondés directement par microscopie optique en mettant à profit une luminescence à deux photons. Après avoir absorbé successivement deux photons infrarouges, le plasmon réémet un photon vert qui est détecté. Ce travail est publié dans la revue Nature Materials, dont il fait la couverture en mai 2013.

Les chercheurs ont synthétisé des nanoplaquettes prismatiques d’or à la surface d’une lame de verre. La méthode de chimie colloïdale utilisée a permis de favoriser la croissance de facettes cristallines bien définies. Ces plaquettes, épaisses de 20 nanomètres et d’une taille de l’ordre du micromètre, sont des résonateurs pour les oscillations collectives du gaz d’électrons conducteurs. Grâce à la qualité cristalline des prismes, ces plasmons ne subissent que très peu d’amortissement et se réfléchissent de multiples fois sur les bords du cristal. Avec un laser infrarouge femtoseconde, les chercheurs ont induit une luminescence à deux photons qui révèle les états plasmoniques des électrons optiquement excités. L’excellent accord entre les simulations du modèle théorique développé et les expériences optiques leur a permis d’explorer des structures plus complexes, comme des paires de prismes placés côte à côte. Les états plasmoniques de la structure globale diffèrent de ceux des prismes individuels. Ce travail ouvre la voie vers de nouveaux types de dispositifs plasmoniques pour le traitement de l’information optique.

Vue d’artiste d’une porte logique modale plasmonique qui exploite la structuration spatiale des modes plasmoniques portés par des prismes cristallins d’or en vue d’un traitement optique de l’information - © E. Dujardin (CEMES, CNRS)

Des physiciens ont synthétisé pour la première fois des nanocristaux semiconducteurs fluorescents d’un rendement de 100% à température cryogénique. Dans ces cristaux, la "recombinaison Auger" des électrons, qui est le mécanisme principal de pertes, est totalement inhibé.

Maintenant que l’on sait synthétiser des nanocristaux semiconducteurs qui ne scintillent presque plus, le seul obstacle à la généralisation de leur utilisation dans les domaines de l’optoélectronique, de la biologie ou de l’optique quantique est l’absorption résiduelle de lumière, responsable de leur échauffement. Le mécanisme principal à l’origine de ces pertes est la recombinaison non radiative par effet Auger: au lieu de réémettre un photon, une paire électron-trou excitée cède son énergie à une troisième charge électrique présente dans le matériau. Deux équipes du Groupe d’Etude de la Matière Condensée - GEMaC (CNRS / UVSQ) et du Laboratoire de Physique et d’Etude des Matériaux - LPEM (CNRS / ESPCI / UPMC), en collaboration avec une équipe allemande et des chercheurs travaillant aux Etats-Unis et en Russie, sont parvenues à montrer que l’effet Auger peut être supprimé à des températures cryogéniques lorsque la troisième charge électrique est maintenue localisée en surface de la nanoparticule. Ceci à cause d’un décalage important entre l’énergie des bandes de conduction du cœur et de la coque de la nanosphère. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Nanotechnology (Février 2013).

Dans ce travail, les physiciens ont étudié des nanocristaux dont le cœur sphérique, d’un rayon de 1,5 nm ou 2,5 nm, est constitué de CdSe, et la coque, épaisse de 6 nm ou 10 nm, de CdS. A température ambiante, ces nanocristaux oscillent entre un état neutre et un état chargé. En revanche, en dessous de 200K, ces cristaux acquièrent de manière permanente une charge négative et lorsque l’on abaisse la température, leur rendement quantique augmente continûment pour atteindre 100% à 30 K. Des expériences de spectroscopie sous champ magnétique ainsi que des expériences en régime de comptage de photons ont établi que ces phénomènes étaient reliés à une activation thermique de l’effet Auger autour de 200 K. Cette dépendance en température provient d’un changement de localisation des porteurs de charge dans la structure. A partir d’une certaine température, les électrons ne sont plus seulement localisés dans le cœur de CdSe mais atteignent la surface du nanocristal. Dans ce cas, les processus Auger sont accélérés par la raideur du potentiel de confinement de l’électron et s’avèrent particulièrement rapides. Ces résultats montrent les voies possibles à suivre pour concevoir des nanocristaux au rendement quantique parfait à 300 K. La raideur du potentiel de confinement des porteurs est un paramètre crucial. La prochaine étape consistera à ajuster la structure de la coque et sa composition pour augmenter la température à partir de laquelle l’effet Auger s’active.