De la lumière extraite d'un cristal jusqu'à la limite express

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Une corde de guitare, si on la pince fort, ne produit pas une seule note mais plusieurs à la fois : la note fondamentale et ses harmoniques. Les physiciens ont réalisé un tour similaire avec la lumière : ils ont dirigé un laser infrarouge sur un cristal, et le cristal a répondu en émettant seize couleurs différentes, allant de l'infrarouge invisible à l'ultraviolet dur.

Le cristal s'appelle NbOI2 — c'est un matériau en couches, semblable à une pile de feuilles de papier, où chaque feuille a l'épaisseur d'un atome. À l'intérieur de chaque feuille, les charges sont déplacées : d'un côté le plus, de l'autre le moins, comme dans une pile. Ainsi, le matériau réagit de manière inhabituelle à la lumière : une lumière faible est doublée, tandis qu'une lumière intense le fait vibrer sur de nombreuses fréquences à la fois.

Dans l'expérience, le laser frappait le cristal avec une fréquence proche de celle du rayonnement thermique. L'énergie de chaque impulsion était faible — moins qu'il n'en faut pour faire bouillir une bouilloire en une heure. Mais le cristal s'est montré si réactif qu'il a émis une lumière avec des fréquences seize fois plus élevées que la fréquence initiale. De plus, les « harmoniques » paires et impaires se comportaient différemment : les paires étaient toujours alignées le long de l'axe du cristal, comme l'aiguille d'une boussole, tandis que les impaires tournaient en suivant le laser.

L'utilité pratique réside dans des sources de lumière compactes à fréquence accordable. Elles sont nécessaires pour la communication quantique, les mesures de précision et les microscopes qui voient des molécules individuelles. Au lieu d'encombrants systèmes laser, une fine pellicule qui transforme elle-même un seul rayon en tout un arc-en-ciel.