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Dès 1960, les physiciens ont réalisé que le laser était une source de lumière révolutionnaire, qui rendait possibles des expériences qui étaient inimaginables avant son invention. De nouveaux champs d’investigation sur les propriétés ultimes de la lumière et de son interaction avec la matière ont été ouverts. Le laser est ainsi à l’origine d’un extraordinaire renouveau de branches entières de la physique, comme en témoignent les 17 physiciens qui ont reçu le prix Nobel depuis 1960 pour leurs travaux fondamentaux concernant le laser et l’interaction matière-lumière.

La spectroscopie a été un des premiers domaines d’application du laser. Grâce à la mise au point de lasers de longueur d’onde ajustable et de largeur spectrale de plus en plus fine, des gains impressionnants dans la précision des mesures spectroscopiques ont été réalisés : par exemple, dans la spectroscopie de l’atome d’hydrogène, si importante pour tester avec la plus grande précision possible les fondements de la physique quantique, les précisions relatives sont passées en cinquante ans de 10-8 à 10-14, et la fréquence de la transition 1s-2s de l’hydrogène est de loin la quantité physique la mieux déterminée expérimentalement de nos jours. Ces progrès dans la spectroscopie ont stimulé des avancées importantes dans la compréhension toujours plus détaillée de la structure de la matière, au niveau atomique, moléculaire ou solide.

Les physiciens ont très vite tiré avantage du très fort éclairement d’un faisceau laser : celui-ci peut en effet induire des effets non-linéaires dans la matière qui étaient hors d’atteinte avec les sources optiques traditionnelles. De nombreux nouveaux phénomènes optiques fascinants, comme les processus multiphotoniques ou les miroirs à conjugaison de phase, ont été découverts, ouvrant une branche nouvelle de la physique, appelée optique non-linéaire, qui se développe à un rythme extrêmement rapide.

Au cours des décennies, des lasers aux impulsions de plus en plus courtes ont été mis au point. Des impulsions dans le domaine de la femtoseconde, puis plus récemment de l’attoseconde, sont utilisées pour étudier et orienter la dynamique ultra-rapide de différents processus physiques au niveau des atomes, des molécules ou de la matière condensée. La production d’impulsions toujours plus brèves s’accompagne de la génération de puissances instantanées toujours plus grandes, c’est-àdire de champs électriques lumineux très intenses qui bouleversent complètement la dynamique de la matière pendant son illumination.

D’une manière plus générale, l’irradiation de la matière par un certain nombre de faisceaux lasers que l’on peut ajuster très précisément en fréquence, durée et intensité permet de contrôler avec une extrême précision les processus microscopiques qui s’y produisent, et de manière ultime l’état quantique précis dans lequel se trouve la matière. On peut par exemple créer de la sorte des ensembles atomiques séparés spatialement, mais cependant intriqués, c’est-à-dire descriptibles uniquement par un état quantique global, donc non local. Cette interaction matière-lumière parfaitement maîtrisée permet de modifier non seulement la matière, mais aussi la lumière. On peut par exemple produire des lumineuses qui se propagent dans la matière à une vitesse extrêmement faible, de quelques dizaines de mètres par seconde.

Les progrès réalisés en optique non-linéaire ont à leur tour permis de produire de nouveaux états quantiques de la lumière, sans équivalent classique, ainsi que des états quantiques intriqués lumière-matière. Ce nouveau domaine de l’optique, appelé optique quantique, est extrêmement actif : on peut créer des photons uniques ou jumeaux, manipuler les fluctuations et les corrélations quantiques dans la lumière, ou réaliser des dispositifs de cryptographie parfaitement sécurisés.

Enfin, l’’illumination d’un atome conduit à des échanges d’énergie mais aussi d’impulsion. Un faisceau laser induit ainsi des forces radiatives sur la matière, qui peuvent être ajustées à volonté en contrôlant précisément les caractéristiques de l’irradiation. On peut ainsi ralentir, piéger et refroidir jusqu’au nano-Kelvin des ensembles d’atomes ou de molécules. Ce domaine de recherche a été extrêmement fructueux dans les dernières décennies, et a conduit par exemple à la production de gaz quantiques dégénérés comme les condensats de Bose-Einstein d’atomes dilués.

Ce bref et non exhaustif tour d’horizon atteste de l’impact extraordinaire qu’a eu le laser sur les progrès de la physique fondamentale. Les améliorations constantes des différents types de laser permettent d’envisager pour demain de nouveaux progrès dans tous les domaines qui viennent d’être évoqués.

 Claude FABRE. Tel : 01 44 27 73 27 Claude.Fabre@spectro.jussieu.fr