Dans toute l’histoire de la physique, l’optique a joué un rôle central. C’était une sage-femme lors de la naissance de la mécanique quantique quand Max Planck a introduit la nouvelle constante physique h dans sa description du rayonnement d’une cavité. L’utilisation qu’il a faite des résultats expérimentaux les plus récents dans sa recherche de la formule du spectre de ce rayonnement est caractéristique de l’étroite interaction qui existe entre l’expérience et la théorie, interaction qui constitue toujours la caractéristique de l’optique. Des événements marquants ultérieurs de la mécanique quantique, comme l’étude de l’effet photoélectrique, la spectroscopie atomique et moléculaire, ainsi que le développement de l’électrodynamique quantique, reposent tous sur les résultats de l’optique et ont fait s’étendre le corps de ses techniques et son répertoire conceptuel.
Comme dans une reconnaissance des contributions de l’optique, la mécanique quantique a conduit à l’invention du laser en 1960. À l’exception peut-être des premiers développements des lentilles et des miroirs, aucun développement technologique n’a eu un plus grand impact sur l’optique que l’invention du laser. Les propriétés de cohérence de la lumière du laser ont permis le développement des impulsions à haute intensité, de plage de fréquence étroite ou de courte durée, qui servent de point de départ aux efforts de recherches scientifiques des chercheurs qui utilisent le laser, ainsi que des applications industrielles du laser. Ce qui peut être appelé période moderne de l’optique commence vraiment avec l’invention du laser, il y a juste un peu plus de quarante ans. Les chercheurs canadiens ont été des joueurs actifs tout au long de cette période moderne, et la présente édition de La physique au Canada présente un aperçu de certains travaux effectués en physique au Canada aujourd’hui.
Un thème majeur de la recherche durant cette période moderne a toujours été la mise au point de nouvelles sources de lumières, à de nouvelles fréquences ou à des intensités toujours plus élevées, ou avec des impulsions toujours plus courtes. L’effort effectué cherche souvent à rendre ces nouvelles sources pratiques et utilisables par une grande communauté de chercheurs. Le travail de Donna Strickland de l’université de Waterloo constitue un exemple frappant de ce type de recherche. L’utilisation d’une amplification optique paramétrique, par l’intermédiaire du mélange non linéaire de fréquences optiques conduisant à un rayonnement cohérent dans l’infrarouge moyen, offre l’occasion de construire des sources de laboratoire d’impulsions réglables à haute intensité dans la gamme infrarouge moyenne qui est si fondamentale pour la spectroscopie moléculaire.
Au Centre national de recherches Canada, le travail de Paul Corkum et de ses collègues pousse la durée des impulsions de la technologie laser vers le domaine des attosecondes (1 attoseconde = 10-18 seconde). Ici, les recherches portant sur les impulsions courtes et les intensités élevées sont intimement liées, parce que l’utilisation de puissants champs de laser permet de commander le déplacement mécanique quantique d’un électron, dont le paquet d’ondes devient partiellement ionisé par un atome. La partie ionisée du paquet d’ondes peut être renvoyée vers le noyau et peut interférer avec la partie du paquet d’ondes toujours présente, ce qui conduit à la production d’un photon. Lorsque tout cela ce produit d’une manière précise , des impulsions optiques dans le domaine des attosecondes sont générées. Alors que la commande des impulsions dans le domaine temporel du déplacement des électrons dans la matière est désormais possible, ces techniques nous orientent vers de nouvelles méthodes de sondage de processus chimiques et physiques détaillés à l'extrême.
La physique des champs intenses, qui fait partie de cette recherche, est issue de cette tradition de recherche en optique non-linéaire qui a tant caractérisé l’optique depuis l’invention du laser. Le premier effet optique non linéaire observé peu après l’invention du laser, a été la génération de la seconde harmonique lorsque deux photons à la fréquence fondamentale étaient convertis en un photon à la fréquence harmonique. La première lumière détectée de la seconde harmonique était si faible que la trace sur la plaque photographique a été prise par erreur pour un défaut par les éditeurs de The Physical Review Letters, et la preuve de la génération de la deuxième harmonique a été raturée dans l’article même qui l’annonçait!
Les temps ont changé. S.L. Chin de l’université Laval la signale dans ses études des effets des impulsions laser puissantes dans le domaine des femtosecondes (1 femtoseconde= 10-15 seconde) dans un média optique. Ici, les impulsions sont si intenses que l’impulsion de quelques femtosecondes se transforme en une impulsion de lumière blanche, ou supercontinuum, avec la génération de fréquences de plus en plus élevées. Il en résulte des impulsions présentant une filamentation et, lors du trajet dans l’air, elles peuvent tracer un canal de matière ionisée dans lequel elles peuvent parcourir de longues distances. L'application d’impulsions de si haute intensité dans la fusion et le traitement de la matière est évidente. Elles ont aussi été utilisées dans des expériences remarquables, comme dans le déclenchement de la foudre dans des essais de laboratoire!
Des intensités lumineuses beaucoup plus faibles, qui ne perturbent que légèrement le mouvement électronique dans des milieux matériels, sont aussi intéressantes en microscopie et spectroscopie, deux des plus anciennes traditions encore vivantes de la recherche en optique. Xiabin Zhu et Mark Freeman, de l’université de l’Alberta, décrivent leurs études en optique ultrarapide du magnétisme à l’aide de la microscopie magnéto-optique qui repose sur les effets magnétiques sur les propriétés optiques de la matière condensée. Ils ont été en mesure de réaliser un film stroboscopique de matériaux magnétiques en étudiant la dynamique magnétique à l’échelle temporelle de la picoseconde (1 picoseconde = 10-12 seconde) avec une résolution qui n’est limitée que par la longueur d’onde optique. La relaxation du spin et la commutation de la magnétisation ont été observées et des analogues des effets non linéaires et non magnétiques, comme la génération du second harmonique induite par la magnétisation, ont fourni de puissances nouvelles sondes pour ces matériaux importants.
Une autre application de l’optique en physique de la matière condensée est décrite par John Preston et ses collègues de l’université McMaster. Ces derniers utilisent des impulsions optiques ultra rapides pour étudier les supraconducteurs de cuprites. Les impulsions laser permettent de générer des quasi-particules à haute énergie dans les supraconducteurs et l’étude de ces états non équilibrés par l’intermédiaire de l’inductance transitoire et de l'absorption infrarouge aide à caractériser ces matériaux importants et leurs propriétés. La recherche sur les matériaux magnétiques et sur les supraconducteurs illustre comment l’optique peut conduire au développement de nouveaux outils et de nouvelles techniques destinés à l’étude de matériaux qui ne sont normalement pas associés à l’optique.
Toujours en regard de la spectroscopie, pris au sens large tout au moins, il faut citer les travaux de Georg Rieger et Jeff F. Young de la University of British Columbia sur les guides d’ondes semi-conducteurs configurés avec des caractéristiques de sous-longueurs d’ondes à indice de contraste élevé. Les systèmes de matières condensées étudiés dans de telles recherches ne sont pas constitués de matières naturelles, mais plutôt de matériaux structurés artificiellement, comme les cristaux photoniques dont l’indice local de réfraction varie périodiquement, qui sont fabriqués à des fins d’utilisation ou seulement pour leur intérêt. Ici, l’optique et la nanotechnologie se rejoignent avec la fabrication de structures possédant de nouvelles propriétés éventuellement technologiquement importantes. L’optique joue ici deux rôles. Le premier est l’étude de ces nouvelles structures au moyen de la spectroscopie. Le deuxième est l’utilisation de ces structures pour commander la lumière : son débit, sa génération par des émissions spontanées ou stimulées et son auto-interaction au moyen d'effets non linéaires. Il y a ici réellement présence de l’optique et du génie optique.
L’article de William Wijngaarden et de Baolong Lu de la York University, sur la condensation de Bose-Einstein (BEC) de vapeurs alcalines diluées nous rappelle que l’optique contribue aux développements les plus importants de la physique en général avec deux prix Nobel récemment décernés dans ce domaine. L’un d’eux a été décerné pour le refroidissement et le piégeage optiques qui ont permis la BEC dans des vapeurs alcalines, et le second a été décerné pour la réalisation de cette dernière. Contrairement à l’hélium superfluide, dans lequel l’interaction entre les atomes est très marquée et la fraction condensée très faible, dans la BEC de vapeurs alcalines, les atomes bosoniques interagissent très peu; la théorie a permis de faire des pas immenses dans la compréhension de ces nouveaux systèmes à n corps. De récents développements fondamentaux, comme l’appariement de Cooper d’atomes fermioniques refroidis, illustrent le vaste domaine de la physique que ces genres de systèmes recouvrent. Ils servent aussi de siège d'effets optiques intéressants, comme la transparence à induction électromagnétique. De plus, de nouveaux efforts technologiques, comme la construction de micropièges sur une puce, promettent une physique et une ingénierie encore plus intéressantes.
Les deux autres articles soulignent le rôle que l’optique joue dans l’enseignement de la physique et du génie. Roger Lessard et ses collègues de l'université Laval étudient l’histoire de l’enseignement de la physique ici, en commençant par l’établissement du département de physique en 1938, et illustrent l’évolution du cursus à mesure que de nouveaux développements et de nouveaux intérêts se produisaient. Marc Nantel et ses collègues du Photonics Research Ontario esquissent l’établissement de trois nouveaux diplômes de premier cycle en Ontario, le Bachelors of Applied Technology-Photonics au collège Algonquin et au Niagara College, le Honours B.Sc. in Photonics à la Wilfred Laurier University et le Bachelor of Engineering in Photonics Engineering à la McMaster University. La photonique décrite comme la prochaine industrie multimilliardaire peut nous permettre d’espérer un rôle accru de l’enseignement de l’optique en physique et en génie, ainsi que l’établissement d’autres nouveaux programmes dans le futur millénaire.
Dans un recueil aussi court d'articles comme celui-ci, il est impossible de survoler tous les travaux réalisés en optique au Canada. De nombreux programmes de recherche attrayants n’ont pas été examinés; de nombreuses universités dans lesquelles l’optique est une force majeure au département de physique, dont la nôtre, ne sont pas mentionnées! De plus, de nouveaux efforts interdisciplinaires, comme l'application de l’optique au traitement de l’information quantique et à la recherche et au développement biomédical, n’ont pas été couverts. Cependant, les quelques articles de cette édition spéciale illustrent quand même l’étendue et l’importance de la recherche en optique, ainsi que la force de cette dernière au Canada.
Henry van Driel / John Sipe
University of Toronto
Rédacteurs invités
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