Un orchestre où chaque musicien joue à son propre tempo produit une cacophonie. Mais dès que le chef d'orchestre lève sa baguette, tous les instruments se fondent en une mélodie harmonieuse où chaque note est à sa place. C'est à peu près le problème que résolvent les physiciens lorsqu'ils stabilisent la fréquence d'un laser. Un laser n'émet pas un faisceau continu, mais une série d'impulsions ultra-courtes – comme un roulement de tambour. Si les intervalles entre les coups « flottent », le roulement se transforme en bruit. La stabilisation, c'est le chef d'orchestre qui fait en sorte que chaque impulsion arrive exactement à temps.
Dans cette nouvelle étude, les scientifiques ont utilisé un type particulier de laser : le laser à disque mince, où la lumière est amplifiée en traversant un cristal fin semblable à un petit miroir. Ce laser délivre en moyenne 180 watts de puissance – environ l'équivalent de 18 ampoules à incandescence, mais concentrés en impulsions d'une durée de quelques millionièmes de milliardième de seconde. À l'intérieur du laser, la puissance crête atteint 500 mégawatts – c'est comme l'éclair instantané d'une centrale électrique entière. Pour maîtriser cette puissance, les chercheurs ont utilisé une astuce : ils ont fait passer une partie de la lumière à travers un cristal de grenat d'yttrium-aluminium, qui élargit le spectre, un peu comme un prisme décompose la lumière blanche en arc-en-ciel. Ensuite, les deux bords de cet arc-en-ciel ont été réunis, et grâce à leur interférence – un motif de bandes claires et sombres – on peut détecter le moindre tremblement du rythme des impulsions.
Après cette stabilisation, le laser comprime ses impulsions jusqu'à une puissance crête de 0,9 gigawatt – c'est déjà comme mille centrales électriques qui s'allument l'espace d'un instant. Un tel faisceau peut arracher des électrons aux atomes de gaz nobles, produisant un rayonnement ultraviolet, voire ultraviolet extrême. Ce rayonnement peut à son tour être transformé en « peigne de fréquences » – un ensemble de milliers de couleurs parfaitement calibrées, utilisé dans les horloges les plus précises et en spectroscopie. Auparavant, ces dispositifs étaient encombrants et capricieux. Désormais, grâce au laser compact à disque mince, on entrevoit la possibilité de créer un appareil de table qui produirait un peigne stable dans l'ultraviolet. Et cela ouvre de nouvelles perspectives pour étudier les processus rapides dans les atomes et les molécules, pour la navigation de précision et, peut-être, pour les futures technologies quantiques.
Une impulsion de ce laser dure environ 200 femtosecondes. Pendant ce temps, la lumière parcourt une distance inférieure à l'épaisseur d'un cheveu humain, et l'impulsion transporte une énergie suffisante pour vaporiser une goutte d'eau.
L'idée d'un peigne de fréquences précis évoque les « sabres laser » de la science-fiction, mais en réalité c'est un outil de mesure ultra-précise qui pourrait aider à créer des ordinateurs quantiques.