Les gaz atomiques refroidis au laser, les gaz d'atomes refroidis à des températures autour de zéro absolu en utilisant les technologies laser, se sont révélées être des plates-formes physiques polyvalentes pour étudier et contrôler les phénomènes quantiques. Lorsque ces gaz atomiques interagissent avec la lumière à l'intérieur d'une cavité optique (c'est-à-dire une structure conçue pour piéger et améliorer la lumière), elles peuvent donner naissance à des effets qui peuvent être exploités pour réaliser la détection quantique ou simuler des systèmes quantiques complexes.
À l'aide de gaz atomiques chargés dans des cavités optiques, les physiciens ont observé divers effets intrigants, y compris les transitions de phase d'auto-organisation, caractérisés par la disposition spontanée des atomes de gaz en schémas ordonnés, le lasage et la préservation de la cohérence quantique. Généralement, cependant, ces effets ne sont observés que pendant de courtes temps, car de nouveaux atomes doivent être rechargés dans la cavité pour qu'ils soient à nouveau produits.
Des chercheurs de Jila, un Institut de recherche conjoint de l'Université du Colorado-Boulder et du National Institute of Standards and Technology, ont récemment démontré un lasing continu qui a duré des heures à l'aide du strontium-88 refroidi par laser (88Sr) atomes chargés dans une cavité optique cyclique (c'est-à-dire circulaire). Leur article, publié dans Physique de la naturepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement de lasers ultra-indiens, ainsi que des ordinateurs quantiques et des technologies de détection.
« L'objectif original de notre expérience est de construire un laser superradiant continu, un outil qui nous permettrait de faire des mesures de fréquence de haute précision à de courtes échelles de temps », a déclaré le Dr Vera M. Schäfer, premier auteur du journal, à Issues.fr. « Cela pourrait nous aider à explorer différents régimes pour rechercher la matière noire et d'autres nouvelles physiques. »
L'objectif à long terme des chercheurs Schäfer, NIU, Thompson et leurs collègues est de réaliser des lasers de largeur de fréquence extrêmement avancés et ultranarrow, qui pourraient être utilisés pour rechercher des matières noires ou pour développer des appareils sophistiqués, tels que les horloges atomiques. Tout en travaillant vers cet objectif, cependant, ils ont découvert un effet curieux et inattendu, ce qui reflète le fait que la nature peut s'organiser spontanément lorsque l'énergie est pompée dans un système.
« Nous avons vu la lumière laser sortir de notre système lorsque nous essayions juste de charger un gaz très froid d'atomes entre les miroirs très réfléchissants qui forment notre cavité laser », a expliqué le professeur James K. Thompson. « Pour être clair, notre cavité laser est comme une cloche mais pour la lumière au lieu du son. Il aime sonner à une fréquence spécifique.
« Les atomes faisaient cette bague de« cloche »et dégageaient la lumière. Lorsque nous avons étudié d'où venait cette lumière, nous avons trouvé beaucoup de comportements étranges, parmi eux qui modifient la fréquence de résonance de la cloche ont à peine changé la fréquence de la lumière qu'il émettait.»
Après leurs observations inattendues, les chercheurs ont décidé de mieux comprendre la physique sous-jacente. Cela pourrait, à son tour, informer le développement futur des horloges atomiques et des détecteurs d'ondes gravitationnels.
« Pour comprendre cela, je dois vous raconter une histoire sur les horloges atomiques et les détecteurs d'ondes gravitationnels », a déclaré Thompson. «Il s'avère que les détecteurs d'ondes atomiques et d'ondes gravitationnelles comptent sur des types de cavités optiques avec des fréquences stables très, très, très (ai-je dit très très?).
« Pourtant, quand on construit ces objets, on remarque qu'il ressemble à ces« cloches »se tortillent et se tremblent en fréquence. Pourquoi? Parce qu'ils sont faits de vrais atomes à des températures finies qui subissent l'équivalent de tremblant aléatoire autour du mouvement brownien. »
Pour contourner cette limitation des horloges atomiques et des détecteurs d'ondes gravitationnelles, Thompson et son laboratoire de Jila essaient de construire un laser superradiant. La fréquence de ce laser ne doit pas dépendre de la fréquence de la cavité optique mais, plutôt, d'une transition atomique de fréquence très étroite dans le strontium atome.
« Pour construire cela, nous devons continuellement appliquer d'autres lasers normaux qui refroidissent les atomes de strontium à 10 millions de degré au-dessus de zéro absolu », a déclaré Thompson.
Le doctorant senior Zhijing NIU a ajouté: « Nous avons compris comment le laser refroidir et charger nos atomes en continu plutôt que décalé dans le temps comme presque toutes les autres expériences de notre domaine le font (c'est-à-dire cool et charger des atomes, faire brièvement une science, les jeter, répéter.). »
Avant même de tirer parti de la transition atomique très étroite au cours de leurs expériences, les chercheurs ont observé que la lumière laser sortait de la cavité optique et a constaté qu'elle persistait pendant des heures. Cette observation fascinante a été l'inspiration clé derrière leur travail récent, car ils tenaient à comprendre ses raisons sous-jacentes.
« Ce fut une expérience assez spéciale car normalement vous essayez d'atteindre un objectif spécifique et de résoudre des problèmes en cours de route », a déclaré Schäfer. « Nous avons vu quelque chose de complètement inattendu et nous n'avions initialement aucune idée de ce qui l'a causée. Donc, nous avons exclu différentes possibilités étape par étape jusqu'à ce que nous commencions enfin à comprendre ce qui se passait et avons découvert que sans que nous essayions même, ce mécanisme de lasage stabilise la fréquence effective de notre cavité. »
En fin de compte, les chercheurs ont réalisé que le laser qu'ils ont observé résulte de l'absorption d'un photon et d'une émission stimulée ultérieure, produisant un état de moment différent. En d'autres termes, ils ont trouvé que 88Les atomes SR ont attrapé un photon, le faisant reculer puis jetez un photon dans la cavité, produisant le laser continu qu'ils ont observé.
« Cela semble être le mécanisme de gain fourni par la nature lorsque nous mettons de l'énergie dans le système via nos faisceaux de refroidissement laser », a déclaré NIU.
« Cependant, ce mécanisme de gain provoque également la chauffage des atomes, ce qui provoque ensuite une boucle de rétroaction drôle qui maintient la fréquence efficace de la cavité optique à une valeur fixe, même lorsque nous avons essayé notre plus grand pour le changer », a ajouté Thompson.
La récente étude réalisée par ce groupe de recherche offre de nouvelles informations sur les interactions de la lumière, qui pourraient éclairer le développement futur de lasers superradiants. Notamment, une grande partie de la physique qu'ils ont observée ne se produit qu'en continu, par opposition aux expériences cycliques.
« Le régime de lasage le plus intéressant n'apparaît que lorsque vous démarrez dans un état plus bruyant, puis changeant lentement les paramètres de cavité en un régime moins stable qui n'est maintenu que par le lasage continu », a expliqué Schäfer. « Ainsi, la construction d'une expérience d'atomes froids en continu nous a permis de voir de nouveaux effets. »
Inspirés par des travaux récents dans le domaine, y compris cette étude récente, de nombreux chercheurs intéressés par la physique atomique et laser passent désormais leur attention des expériences cycliques aux expériences continues. Les plates-formes de fonctionnement continues qui en résultent pourraient ouvrir la voie à l'introduction de nouvelles technologies hautement performantes, y compris des systèmes informatiques quantiques et des lasers Linewidth Ultranarrow.
« À l'avenir, nous prévoyons vraiment d'utiliser la transition étroite de Linewidth en Strontium pour construire des lasers incroyablement monores pour explorer le monde », a ajouté Thompson. « En cours de route, nous voyons déjà beaucoup de choses intéressantes comme la protection des capteurs quantiques appelés vagues de matière et horloges optiques contre le bruit en utilisant des effets collectifs ou en utilisant ces mêmes systèmes pour simuler les supraconducteurs BCS. Nous allons certainement rester très occupés! »
