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Un laser est un dispositif photonique produisant un faisceau lumineux spatialement et temporellement cohérent. Pour ce faire, il est théoriquement possible d’utiliser l’ensemble du spectre électromagnétique, des micro-ondes aux rayons X. Longtemps, les physiciens ont buté sur la possibilité d’un laser à longueurs d’onde ultra-courtes constituées par la partie gamma du spectre. Mais récemment, un physicien a montré qu’il était possible de créer un tel laser en utilisant du positronium, un atome exotique composé d’un électron et d’un positron. 

Un nouveau modèle mathématique conçu par le physicien de l’Université de Californie Allen Mills, montre comment un laser à rayons gamma pourrait fonctionner, en utilisant du positronium : des particules similaires à l’hydrogène constituées d’un électron et de son partenaire d’antimatière chargé positivement, un positron.

En combinant les deux particules dans l’hélium et en baissant la température, il pourrait tout simplement être possible de manipuler les rayons gamma résultant de la collision matière-antimatière dans un faisceau laser.

« Mes calculs montrent qu’une bulle d’hélium liquide contenant un million d’atomes de positronium aurait une densité numérique six fois supérieure à celle de l’air ordinaire et existerait sous forme de condensat matière-antimatière de Bose-Einstein » explique Mills.

Laser à rayons gamma : un laser extrêmement complexe à réaliser

Si ces chiffres peuvent être transformés en une application pratique, Mills a peut-être résolu ce qui était autrefois décrit comme l’un des plus grands défis de la physique moderne. Un faisceau laser est créé en stimulant les électrons d’un matériau particulier à émettre exactement les mêmes longueurs d’onde de lumière et en leur donnant un regain d’énergie, qui les aligne tous de sorte que leurs crêtes et leurs ondes correspondent parfaitement — c’est ce qu’on appelle la cohérence.

Les scientifiques ont pu réaliser ce processus avec des longueurs d’onde de lumière relativement longues depuis les années 1960. Dans les années 1970, les ingénieurs créaient des lasers avec une lumière UV, jusqu’à une minuscule longueur de 110 nanomètres. Mais atteindre des longueurs d’onde encore plus courtes s’est vite révélée trop complexe.

Trouver les bons matériaux pour générer et exploiter des longueurs d’onde de plus en plus courtes a été difficile. Mais des ondes plus petites signifient une période d’excitation plus étroite pour les électrons, un problème qui exige à la fois une quantité croissante d’énergie à fournir au processus d’amplification du laser tout en étalant le spectre de la lumière.

Les lasers à rayons X ne sont devenus une réalité qu’au milieu des années 80, d’abord rumeur dans le cadre du programme de défense stratégique américain « Star Wars » avant d’être finalement confirmés dans des expériences ultérieures.

Sur le même sujet : Un prototype “d’anti-laser” qui absorbe la lumière a été mis au point par des chercheurs

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Positronium : il permettrait de produire un faisceau laser à rayons gamma

La plupart des tentatives de développement d’un laser à rayons gamma se sont concentrées sur le refroidissement des atomes jusqu’au zéro presque absolu, auquel cas ils adoptent tous les mêmes états quantiques et agissent comme une seule super particule.

L’approche de Mills consiste à mélanger les particules de positronium émettant de la lumière avec de l’hélium, qui repousse la paire exotique électron-positron et les réunit ensemble pour former un amas dense et stable qui devient la base d’un condensat.

production laser gamma

Schéma expliquant le processus créant un faisceau d’ondes gamma à partir de positronium et d’hélium. Crédits : Mills

Sur le papier, tout semble fonctionner. L’étape suivante consiste pour Mills à effectuer des expériences au Positron Laboratory dans le but de générer des quantités suffisantes de cette forme exotique de matière.

« Les résultats à court terme de nos expériences pourraient être l’observation d’un tunnel de positronium à travers une feuille de graphène — qui est imperméable à tous les atomes de matière ordinaire, y compris l’hélium — ainsi que la formation d’un faisceau laser à atomes de positronium, avec de possibles applications en informatique quantique » explique Mills.

schema laser gzamma

Dans ce schéma, les “photons germes” provenant de l’annihilation spontanée de quelques atomes de positronium stimulent les annihilations ultérieures, résultant en une impulsion cohérente de rayons gamma à 511 keV. Crédits : JQI/Shewe

Dans sa conférence du prix Nobel en 2003, le physicien théoricien Vitaly Ginzburg a proposé le laser à rayons gamma comme l’un des 30 principaux problèmes de physique de la journée. C’est un problème qui mérite d’être résolu. En théorie, un laser à rayons gamma nous donnerait une résolution sans précédent dans de nouvelles formes de technologies d’imagerie, de nouveaux types de systèmes de propulsion, etc.

Sources : Physical Review A

modele laser gamma

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