Du laboratoire quantique à la stratosphère
Des physiciens de l'ETH ont mis au point un laser à cascade quantique qui permet de visualiser des signaux infrarouges faibles provenant de l'espace. L'appareil est actuellement utilisé lors d'un vol du plus grand observatoire aéroporté.
Lorenzo Bosco, doctorant sous la direction de Jérôme Faist, professeur à l'Institut d'électronique quantique, effectue actuellement un vol inhabituel : le physicien de l'ETH monte dans la stratosphère à bord d'un avion spécial de la Nasa, un Boeing 747SP réaménagé, pour participer à des mesures astrophysiques. Ce jour-là, l'équipage du Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA), nom officiel de cet avion, mesure les signaux infrarouges de gaz en train de se refroidir. Les astrophysiciens espèrent ainsi obtenir de nouvelles informations sur la formation des étoiles dans notre galaxie.
Un appareil supplémentaire rend le signal visible
Si Faist, dont les recherches ne portent pas sur les étoiles mais sur des systèmes d'optique quantique futuristes, participe à une mission astrophysique, c'est pour une bonne raison : il a développé avec son équipe un laser spécial qui rend ces mesures possibles. En effet, les signaux infrarouges mesurés lors de ce vol sont si faibles qu'ils ne peuvent être mesurés qu'avec une astuce.
La fréquence de la lumière incidente est modifiée à l'aide d'un oscillateur local de manière à pouvoir mieux la distinguer du bruit de fond. Ce principe est également utilisé dans la technique de communication pour améliorer la réception des émissions de radio. Comme les astrophysiciens voulaient mesurer des signaux dans l'infrarouge lointain lors de ce vol, ils avaient besoin d'un laser comme oscillateur local, qui fournit un signal supplémentaire correspondant dans la gamme des térahertz.
Une application concrète pour un dispositif innovant
C'est précisément ce dont sont capables les lasers à cascade quantique que Faist développe depuis quelques années avec son groupe. Bien que le principe de ces lasers ait été mis en œuvre pour la première fois dans les années 1990, ceux qui opèrent dans le domaine des terahertz ne sont encore guère utilisés dans la pratique. Cela s'explique notamment par le fait qu'ils doivent être refroidis à de très basses températures pour fonctionner.
Pour la mission SOFIA, Faist et son équipe ont développé un laser à cascade quantique spécifiquement conçu pour répondre aux exigences des astrophysiciens. "Le défi consistait à développer un appareil capable de fournir un signal précis et puissant avec une fréquence clairement définissable", explique Faist. Le fait qu'après tant d'années de développement, ce concept de laser trouve maintenant une application concrète remplit Faist de satisfaction.
Le professeur de l'ETH espère également que cette mission fournira des indications sur la manière d'améliorer encore le laser, afin que les astrophysiciens puissent effectuer de telles mesures infrarouges avec une plus grande résolution lors de leurs vols.
L'observatoire volant et le laser optique quantique
