Des nanostructures semi-conductrices transparentes à la lumière
Une collaboration menée entre des physiciens d’Imperial College (Londres) et de l’Institut de Physique de l’Université de Neuchâtel (Suisse) vient de réaliser une première mondiale : les scientifiques sont parvenus à obtenir un gain optique sans inversion de population dans un solide composé de semi-conducteurs.
L’inversion de population d’une collection d’atomes a longtemps été considérée comme un prérequis pour l’amplification lumineuse. C’est ce qui passe dans le cas des lasers dont les atomes du milieu actif (généralement un gaz ou un cristal) ont été excités, ou « pompés » : le nombre d’électrons situés dans l’état excité est supérieur au nombre d’électrons situés dans l’état fondamental. Une fois que cette inversion de population a été obtenue, un faisceau de lumière, traversant le milieu actif et dont la longueur d’onde a été soigneusement choisie, peut stimuler la désexcitation des électrons occupant le niveau d’énergie le plus élevé : ceux-ci retombent dans le niveau d’énergie plus faible en émettant un photon avec la même fonction d’onde que le photon incident. On obtient ainsi une émission cohérente qui contribue à désexciter d’autres atomes et donc à amplifier le faisceau incident.
Mais la théorie quantique a ensuite prédit que des effets, dus aux interférences entre la lumière et la matière au sein même de l’atome, pouvaient conduire, en principe, au gain sans inversion de population. Le champ lumineux, par exemple sous forme de faisceaux laser très intenses, et les états électroniques peuvent interagir et former de nouveaux états. Toutefois, les effets de l’optique quantique sont observés plus facilement dans le cadre de systèmes atomiques ou moléculaires présentant des niveaux d’énergie bien définis : le gain sans inversion de population a déjà été observé pour des vapeurs et plus récemment pour des condensats de Bose-Einstein mais jamais pour un solide. Et les semi-conducteurs ne constituent pas a priori une population de choix pour ce type d’expérience : leurs niveaux d’énergie sont assez mal définis et organisés sous forme de larges bandes dont la largeur dépend, dans une grande mesure, de la température et du désordre.
Les physiciens suisses et britanniques ont alors choisi de fabriquer une sorte d’« atome artificiel » présentant en particulier trois niveaux d’énergie synthétiques distincts séparés de quelques dizaines à quelques centaines de milli-électronvolts. Leur « atome artificiel » est en fait une nanostructure constituée de plusieurs couches minces de quelques atomes d’épaisseur déposées par épitaxie par jet moléculaire : les scientifiques ont déposé de façon répétée une structure composée de trois puits quantiques InGaAs/AlInAS (un puits plus large flanqué de part et d’autre de deux puits plus étroits). La séparation entre les niveaux d’énergie de cet « atome artificiel » peut être contrôlée en jouant sur l’épaisseur et la composition des couches minces. Les niveaux d’énergie apparaissent en fait comme des états atomiques étroits. Les électrons peuvent alors sauter du niveau d’énergie le plus bas vers le niveau 2 ou bien sauter vers le niveau 3 pour redescendre ensuite vers le niveau 2. Le comportement ondulatoire des électrons est ensuite exploité : un laser pompe permet de coupler de façon cohérente les niveaux d’énergie électroniques et donc d’obtenir des interférences constructives ou destructives. Pour ces conditions cohérentes, on observe alors un gain lumineux sans inversion de population : plus de 80 % des électrons se trouvent dans l’état fondamental.
Les physiciens ont également observé deux autres effets d’importance. D’une part, les conditions cohérentes donnent également naissance à la transparence électromagnétique induite. Dans ce cas, un laser pompe est utilisé pour contrôler les transitions entre deux niveaux d’énergie électroniques dans un atome. Si les conditions sont correctes, les mécanismes d’interférence quantique entre les ondes électroniques et la lumière peuvent réduire à zéro la probabilité de transition électronique entre deux des niveaux d’énergie. Un second laser « sonde », dont la fréquence est résonnante avec celle de cette transition, peut alors traverser le milieu sans être absorbé. La collaboration suisso-britannique a observé cet effet pour un laser émettant dans l’infrarouge.
L’autre effet également observé est lié à l’augmentation de l’indice de réfraction du matériau qui est provoquée par les interférences quantiques. Les physiciens estiment que la vitesse de groupe de la lumière dans leurs nanostructures se trouve alors réduite d’un facteur proche de 40 pour la région spectrale pour laquelle le gain se produit. Ce ralentissement, quoique plus faible que ceux qui ont pu être observés dans les expériences d’atomes froids, présente un avantage : il se produit pour une bande optique plus large. Les effets quantiques cohérents observés dans ces nanostructures semi-conductrices pourraient donc mener à des applications liées au stockage des données ou à l’ordinateur quantique.
Sources : Nature materials, vol. 5, mars 2006, 175-178 et 169-170 ; Imperial College, 19/02/06 ; Nanotechweb.org, 2/03/06
Auteur : Dr Anne Prost