Une équipe de l'Institut atomique de l'Université de Technologie de Vienne, en collaboration avec des chercheurs de Mayence en Allemagne, a mis au point une méthode de détection d'atomes extrêmement sensible, basée sur l'utilisation de fibres de verre.
Des ondes ralenties par la présence d'atomes en-dehors de la fibre
Représentation de la fibre de verre avec des atomes piégés en alignement à proximité.
Les ondes oscillant dans leur direction sont ralenties,
à la différence des ondes polarisées différemment.
L'utilisation des fibres optiques en physique dépasse le cadre de la simple transmission de données : l'Institut atomique s'en sert en effet pour coupler des atomes à la lumière - et c'est actuellement le seul laboratoire de recherche au monde à réaliser cette performance. Cette technique doit notamment permettre la détection de substances à des quantités infimes.
Les chercheurs utilisent des fibres de verre particulièrement fines - quelques 500 nanomètres d'épaisseur, à comparer avec la longueur d'onde de la lumière visible, comprise entre 400 et 800 nanomètres. Ainsi les ondes lumineuses sont sensibles à la présence d'atomes situés à proximité - mais à l'extérieur - de la fibre. La première étape préalable à la détection d'atomes est donc de piéger ces derniers de façon à ce qu'ils soient alignés de part et d'autre de la fibre. L'onde lumineuse subséquemment envoyée est modifiée par chacun de ces atomes ; par conséquent, une mesure précise des changements subis par la lumière au cours de son trajet à travers la fibre permet de compter le nombre d'atomes piégés. En effet, la présence des atomes ralentit légèrement les ondes lumineuses qui oscillent dans leur direction. Une autre onde lumineuse, polarisée dans une autre direction, ne rencontrera pas les atomes et ne sera donc pas ralentie. La différence de phase entre ces deux ondes permet alors de déterminer combien d'atomes a rencontré l'onde ralentie.
Cette méthode permet de compter les atomes avec une précision de l'ordre d'une dizaine ou d'une vingtaine d'unités, sur un nombre total de quelques centaines ou quelques milliers, piégés à une distance de moins d'un micromètre de la fibre. Les scientifiques travaillent déjà sur des améliorations techniques : par exemple, si la distance entre les atomes piégés et la fibre est réduite, la précision de l'opération de comptage peut potentiellement atteindre un seul atome.
Les applications pratiques concernent bien sûr de nouveaux types de détecteurs, mais aussi la recherche en physique quantique : ces fibres de verre rendent par exemple possible le contrôle d'états quantiques, sans pour autant les détruire. De nouvelles possibilités technologiques peuvent également être ouvertes par cette avancée.
