Le laser, un rejeton et un puissant catalyseur de la science quantique

Article publié dans Physical Review X Quantum

Résumé

Parmi toutes les inventions que la physique quantique a produites, le laser occupe une place particulièrement importante, tant par la riche histoire des découvertes successives qui ont conduit à sa naissance, que par le rôle qu’il a joué dans la recherche fondamentale et appliquée. Je rappellerai ici la lignée des découvertes théoriques et des expériences qui ont jalonné cette histoire, en me limitant à la contribution des lasers à la science du ciel et en laissant de côté son rôle bien connu dans divers domaines de la technologie. Cette histoire a commencé par les progrès de l’ancienne théorie quantique, de la description théorique de l’émission stimulée par Einstein à la découverte expérimentale de la quantification spatiale du spin de l’électron par O. Stern. La résonance magnétique nucléaire, les horloges atomiques, le pompage optique et les masers ont suivi et le rythme des découvertes s’est accéléré avec l’apparition du laser en 1960. Cette extraordinaire source de lumière a depuis permis des percées en physique fondamentale et ouvert des champs de recherche qui n’auraient même pas pu être imaginés à l’époque de sa naissance. J’ai eu la chance de commencer ma carrière de physicien à ce carrefour de la physique atomique et de l’optique. Je donne dans cet article ma vision personnelle des grandes aventures de la recherche fondamentale auxquelles j’ai participé en tant qu’acteur ou spectateur, depuis le refroidissement et le piégeage d’atomes par la lumière, jusqu’à la physique des gaz quantiques de bosons et de fermions, la manipulation de particules quantiques individuelles et les simulations quantiques. De nombreux autres domaines de la physique fondamentale, que je ne mentionnerai que brièvement, doivent leur développement aux lasers et d’autres avancées sont encore à prévoir dans les années à venir.

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Image en vedette : Une mélasse optique : un nuage d’atomes de sodium froids devient fluorescent à l’intersection de trois paires de faisceaux laser contre-propagateurs désaccordés dans le rouge. Le faisceau laser utilisé pour le ralentissement Zeeman des atomes est visible au-dessus du faisceau horizontal de la mélasse. (Avec l’aimable autorisation de W. Phillips.)

A propos de l’auteur : Serge Haroche travaille au Laboratoire Kastler Brossel, École Normale Supérieure et Collège de France, Paris, France. Il a reçu le prix Nobel de physique en 2012.