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Habituellement, les spectromètres atomiques optiques sont de gros appareils, utilisant un grand nombre de composants optiques. Le principe de fonctionnement repose sur l'interaction d'un faisceau lumineux avec une substance matérielle, dont on désire connaître la composition. Cette dernière est généralement déterminée par les longueurs d'onde d'absorption et/ou d'émission de la substance sous éclairage laser. Pour la première fois, tout cet appareillage optique est miniaturisé et intégré sur une puce. Qui plus est, les techniques de fabrication sont celles couramment utilisées en microélectronique silicium.
Image par microscope électronique du guide d'onde ARROW,
permettant de confiner la lumière et le gaz dans une cavité microscopique,
ce qui permet de faire des mesures de spectroscopie atomique sur puce
Le composant repose sur l'utilisation d'un guide d'onde à coeur creux appelé ARROW (AntiResonnant Reflecting Optical Waveguide), développé dans le groupe de H. Schmidt. Contrairement aux guides d'onde habituels en silice (dans laquelle la lumière subit des réflexions totales internes à l'interface entre le matériau - à fort indice - et l'air à faible indice), les guides ARROW fonctionnent sur un principe totalement différent. Ici, la lumière se propage dans un tube creux parcourant le milieu du guide (voir figure) et rempli par un gaz ou un liquide dont généralement l'indice de réfraction est supérieur à celui du guide environnant. Le confinement de la lumière ne se fait donc plus à l'aide de réflexions totales internes, mais grâce à une ingénierie des couches multiples du guide entourant la partie creuse similaire à celle des cristaux photoniques.
De micro-réservoirs sont intégrés à la puce, connectés aux guides ARROW et remplis d'atomes de Rubidium. Un gaz de Rubidium finit alors par occuper la partie creuse des guides ARROW, tout en restant confiné dans une cellule microscopique (environ 80 millions de fois plus petite qu'une cellule conventionnelle). Cette configuration permet une mesure efficace de la fluorescence du gaz en question. Le rubidium a été utilisé comme exemple, mais une grande majorité de gaz pourraient faire l'affaire. La vapeur de rubidium représente néanmoins un intérêt pour les études d'optique quantique.
Selon H. Schmidt, les applications principales de cette nouvelle technologie sont la stabilisation des fréquences laser, les capteurs de gaz intégrés, et l'information quantique. Les travaux ont été réalisés en collaboration avec des chercheurs de Brigham Young University dans l'Utah. Une extension de la technique à la détection de molécules d'ADN en solution est étudiée en collaboration avec le groupe de D. Deamer du département d'ingénierie biomoléculaire de l'université de Californie au sein du California Institute for Quantitative Biomediacal Research QB3, ainsi qu'avec le centre Ames de la NASA (baie de San Francisco).