génération de seconde harmonique

Une impulsion laser frappe un cristal de Ca0,4Sr0,6CuO2, et dans les chaînes d'atomes de cuivre et d'oxygène commence une danse qui dure moins d'un millionième de nanoseconde.

La cible gazeuse ressemble à un entonnoir : plus ses parois sont raides, plus le flux est important. Seulement, dans cet entonnoir, ce n'est pas de l'eau qui s'écoule, mais de la lumière ultraviolette, qui naît lorsqu'une impulsion laser puissante traverse un nuage d'argon.

Dans une pièce sombre, une étincelle jaillit entre deux fils — et l'instant d'après, il fait clair. Les physiciens ont fait quelque chose de semblable, mais un million de fois plus petit : à la frontière de deux cristaux transparents, ils ont tracé une piste conductrice et y ont laissé une coupure large de quelques atomes.

Le collagène est la corde dont sont tissés nos tendons, notre peau et nos os. Chaque « corde » est un faisceau de molécules enroulées en triple hélice, comme trois brins dans un câble. Jusqu'à présent, personne n'avait vu ce qui arrive à ces brins lorsqu'on tire sur le câble.

Dans une pièce ordinaire, la lumière disparaît instantanément dès qu'on éteint la lampe. Dans une minuscule cavité en nitrure de silicium, un photon peut rebondir entre les parois 80 000 fois avant de se perdre. C'est comme si une balle lancée dans une pièce rebondissait sur les murs presque sans perdre de vitesse.

Un faisceau lumineux se déplace généralement en ligne droite, mais on peut le faire tourner autour de son axe, comme l'eau qui tourbillonne dans un entonnoir lorsqu'elle s'écoule. Cette lumière « vortex » transporte davantage d'informations et est indispensable pour les communications ultra-rapides et le calcul quantique.

Le cristal d'oxyde de cuivre ressemble à un petit caillou rouge sombre. Mais dès qu'une impulsion laser brève l'atteint, des paires naissent à l'intérieur : un électron et un « trou » — l'endroit où manque un électron.

Un paquet de cartes à jouer repose, immobile. On peut glisser un doigt sous la carte du dessus et la faire glisser — c'est une intervention brutale. On peut aussi souffler de façon que tout le paquet se déforme un instant sans que les cartes s'éparpillent. C'est à peu près ainsi que la lumière, dans la nouvelle expérience, réorganise le cristal de séléniure d'étain (SnSe).

Quand on pince une corde de guitare exactement en son milieu, elle ne produit que des harmoniques impaires. La même règle s'applique aux cristaux symétriques : lorsque la lumière arrache des électrons, leur rayonnement ne contient que des harmoniques impaires. Mais des physiciens ont trouvé un moyen de contourner cette interdiction. Et sans déplacer le moindre atome.

L'Univers résonne, mais notre oreille ne perçoit que les graves. LIGO entend le grondement des fusions de trous noirs — c'est l'infrason du cosmos. Plus haut, dans les gigahertz, tintent les flûtes et les violons de la gravitation primordiale.

Dans une lumière très faible, les photons arrivent un par un, comme les gouttes d'un robinet qui fuit — jamais par paires. Cet effet, prédit par Roy Glauber et confirmé par Leonard Mandel, prouve directement que la lumière est composée de particules.

Imaginez un manège avec deux types de sièges : les uns tournent dans le sens des aiguilles d'une montre, les autres dans le sens inverse. Si on pousse tous les sièges d'un coup, le manège tressaute mais reste sur place.

Deux minuscules miroirs dans le vide, comme des patineurs en couple. Leurs oscillations se synchronisent grâce à un fil gravitationnel invisible. Lorsqu'on les refroidit à des millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, ce fil les transforme en un lien quantique unique — le mouvement de l'un se répercute instantanément sur l'autre.

Deux feuilles d'une finesse extrême, chacune d'un seul atome d'épaisseur, sont posées l'une sur l'autre et légèrement tournées. Comme deux feuilles de papier calque de couleur : tant qu'elles sont bien alignées, l'image est une, mais dès qu'on les tourne, un motif de moiré apparaît. Ici, certes, le motif n'est pas visible à l'œil, mais il modifie complètement la façon dont le matériau interagit avec la lumière.

La lumière, découverte par Maxwell, se comporte différemment selon les milieux. Dans cette nouvelle étude, un cristal bidimensionnel absorbant la lumière et doté de propriétés magnétiques a été modélisé.

Un flash d'appareil photo ordinaire dure des millièmes de seconde. Une impulsion attoseconde est un trillion de fois plus courte : pendant sa durée, la lumière parcourt une distance inférieure à la taille d'un atome.

La lumière d'une ampoule, ou même d'un laser ordinaire, évoque la foule à la sortie du métro : les gens avancent en désordre, tantôt denses, tantôt espacés. Les physiciens appellent ce comportement le bruit de grenaille — ce sont les fluctuations aléatoires du nombre de particules qui arrivent par seconde.

Une feuille de papier ne pèse presque rien, mais si l'on empile cent feuilles, on obtient une liasse bien tangible. C'est à peu près ce qu'ils ont fait avec un matériau qui excelle à convertir une couleur de lumière en une autre, mais seulement lorsqu'il a l'épaisseur d'un atome. Une seule couche, c'est comme une seule feuille : cela fonctionne joliment, mais c'est trop fin pour produire beaucoup de lumière.

Un faisceau laser frappe un atome, et l'électron est arraché. Il accélère, revient, et en heurtant l'atome, émet un éclair de lumière — une harmonique. Si les faisceaux lumineux sont deux et qu'ils se croisent comme à un carrefour, l'électron peut choisir différents itinéraires.

Le laser frappe le cristal, et celui-ci répond par des éclairs de lumière, comme une cloche qui sonne quand on la frappe. Mais si la cloche est chaude, son son tremble et s'étouffe.

La lumière dans une fibre optique est un flux de photons, et pour la communication quantique, il faut des photons uniques, que l'on peut envoyer un par un. Mais les faire sortir rapidement tout en les rendant indiscernables est un défi.

Un faisceau laser traversant un cristal spécial se transforme de lui-même en « chat de Schrödinger » — un mélange de deux états. Erwin Schrödinger a imaginé ce paradoxe pour un atome, et voilà que les physiciens l'observent pour un flux entier de photons. La lumière ressemble à une compagnie de soldats sur la place d'armes.

La lumière ordinaire, c'est comme une foule sur une place : chaque photon se déplace à sa guise, entre en collision et repart. Mais dans certains milieux, les photons, telle une meute de chiens, se mettent à courir ensemble — ils se regroupent.

Un minuscule pont de diamant vibre si fort qu'il se met à « chanter » sur de nombreuses fréquences à la fois. Auparavant, de telles oscillations se freinaient d'elles-mêmes : plus le résonateur s'agitait, plus il était difficile de lui ajouter de l'énergie. Les physiciens ont trouvé une faille dans cette règle.

Le bord d'un aimant agit comme le sillet d'une guitare : une corde pincée tout près du bord sonne différemment, avec un ensemble d'harmoniques plus riche. C'est à peu près ce que font les ondes magnétiques dans une fine bande de nickel et de fer.

Le faisceau d'un laser frappe un cristal transparent, et celui-ci répond par tout un arc-en-ciel — de l'infrarouge à l'ultraviolet invisible.

Une lampe ordinaire émet de la lumière dans toutes les directions, et il est impossible de prédire quand le prochain photon sortira. Or, les technologies quantiques nécessitent une lumière bien différente : des photons uniques, émis un par un, comme des lettres glissant par la fente d'une boîte aux lettres.

Une secousse brusque sur un cordon torsadé y envoie une onde en spirale. De même, une impulsion laser ultra-courte dans un cristal de RhSi engendre une lumière instantanément enroulée en tire-bouchon tridimensionnel.

La lumière frappe un film mince — et un courant électrique y apparaît instantanément. C'est le principe d'une paire de matériaux : le disulfure de molybdène et le cobalt. Le premier est un semi-conducteur, le second un aimant. Entre eux, comme on l'a découvert, naît une couche intermédiaire invisible.

La lumière qui traverse un cristal mince peut changer de couleur et de direction d'oscillation. Dans une lamelle de disulfure de molybdène épaisse de plusieurs centaines d'atomes, un faisceau infrarouge se transforme en lumière verte, et sa polarisation — c'est-à-dire la manière dont l'onde lumineuse oscille — obéit à la…

Un morceau de semi-conducteur ordinaire ne change que faiblement la couleur de la lumière qui le traverse. Pendant des décennies, les physiciens ont contourné cette limitation en plaçant le cristal dans un environnement astucieux, mais le matériau lui-même restait le même.

Lorsque deux faisceaux lumineux se rencontrent dans un cristal, ils peuvent engendrer un troisième faisceau avec une fréquence différente. Pour que ce processus soit efficace, il faut que les ondes marchent au même pas, comme deux personnes qui marchent côte à côte sans se désynchroniser.

Un laser à électrons libres ordinaire ressemble à un instrument de musique à une seule corde : il ne peut jouer qu'une seule note tant qu'on ne modifie pas sa conception. Pour obtenir une autre longueur d'onde, il faut régler les aimants ou accélérer davantage les électrons. C'est coûteux et encombrant.

Une brève impulsion laser frappe le cristal — et celui-ci ne répond pas par un son unique, mais par toute une échelle de fréquences, séparées par un intervalle constant. Ainsi naît un peigne de fréquences phononiques — un phénomène que les physiciens étudient dans un matériau à la structure interne inhabituelle.

La lumière d'une simple ampoule se disperse généralement dans toutes les directions, et la capter en quantités exactement égales dans plusieurs canaux relève du casse-tête. Dans ces nouveaux travaux, la lumière est divisée en neuf faisceaux identiques sans une seule lentille ni miroir.

La lumière d'une ampoule ordinaire est un flux de photons individuels, comme des gouttes qui tombent d'un robinet. Mais il existe une lumière où les photons vont par paires, comme des jumeaux qui marchent ensemble. Cette lumière groupée, on souhaitait depuis longtemps l'utiliser pour mesurer des distances et photographier des objets cachés derrière un coin.

Des stores qui ne se contentent pas de laisser passer ou de bloquer la lumière, mais qui en changent la couleur. La lumière frappe les bandes inclinées, et une partie des rayons ressort avec une teinte différente — comme si un faisceau blanc, en passant à travers les fentes, devenait vert.

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.

Si l'on frappe un atome avec un laser puissant, l'électron en sort comme une balle de raquette et y revient. En revenant, il restitue l'énergie accumulée sous forme d'éclair lumineux. En général, l'énergie de cet éclair est limitée : l'électron n'a le temps de s'accélérer que légèrement. Désormais, des physiciens ont ajouté au laser un faible champ térahertz — comme un léger vent portant.

Le faisceau d’une lampe de poche dans le brouillard dessine un cône, mais ne peut pas découper une figurine dans le nuage. L’hologramme, lui, agit comme un pochoir pour la lumière : il sait d’avance où se concentrer en points lumineux et où rester dans l’ombre. Désormais, un tel pochoir fait durcir la résine liquide d’un seul coup, dans tout le volume, sans impression couche par couche.