Une équipe de physiciens de l’Université d’Innsbruck et de l’Université Harvard a proposé une manière fondamentalement nouvelle de générer de la lumière laser : un laser sans miroirs. Leur étude, publiée dans Lettres d'examen physiquemontre que les émetteurs quantiques espacés à des distances inférieures à la longueur d'onde peuvent synchroniser de manière constructive leur émission de photons pour produire un faisceau lumineux brillant à bande très étroite, même en l'absence de cavité optique.
Dans les lasers conventionnels, les miroirs sont essentiels pour faire rebondir la lumière, stimulant ainsi l'émission cohérente des atomes ou des molécules excités, et donc l'amplification de la lumière. Mais dans le nouveau concept « sans miroir », les atomes interagissent directement via leurs propres champs dipolaires électromagnétiques, étant donné que l'espacement interatomique est plus petit que la longueur d'onde de la lumière émise. Lorsque le système reçoit suffisamment d’énergie, ces interactions provoquent le verrouillage des émetteurs et leur rayonnement collectif – un phénomène appelé émission superradiante.
L’équipe dirigée par Helmut Ritsch a découvert que cette émission collective génère une lumière à la fois hautement directionnelle et spectralement pure, avec une seule raie spectrale étroite, dans les cas où seule une fraction des émetteurs est excitée par un laser et où le reste des atomes reste non pompé. Étant donné que cette fraction d'émetteur passif n'est pas élargie par le laser de commande ou par l'élargissement de puissance, elle agit effectivement comme un résonateur optique pour les émetteurs actifs, par analogie avec un laser conventionnel dans lequel le résonateur optique et le milieu de gain sont des entités physiques distinctes.
« Les atomes synchronisent leur émission et, au-dessus d'un certain seuil, commencent à émettre de la lumière collectivement ou à l'unisson les uns avec les autres », explique Anna Bychek, postdoctorante au Département de physique théorique de l'Université d'Innsbruck. « Il reste encore de nombreuses questions à étudier dans les travaux futurs, mais il est clair que les atomes construisent leur propre mécanisme de rétroaction et de sélection de fréquence via une interaction dipôle-dipôle dans l'espace libre. »
Au-delà de sa signification conceptuelle, cette découverte ouvre la voie à une nouvelle classe de sources lumineuses ultra-compactes pour la nanophotonique et les mesures de précision. La fréquence d’émission étant principalement déterminée par les atomes eux-mêmes, de tels systèmes pourraient fournir des références optiques exceptionnellement stables pour les capteurs quantiques, les horloges ou les dispositifs sur puce.
La recherche combine la théorie des interactions lumière-matière avec des méthodes numériques avancées pour explorer comment les grands ensembles atomiques se comportent collectivement et émettent un rayonnement cohérent. Les résultats suggèrent qu’avec les progrès continus dans le domaine, le laser sans miroir pourrait bientôt passer de la prédiction théorique à la réalisation expérimentale.
