Après plus de 30 ans les "lasers sans seuil" ont enfin un seuil

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Publié le 11 mars 2021 Mis à jour le 11 mars 2021
Date(s)

le 10 mars 2021

Lasers
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Une étude publiée au mois de février dans Physical Review Letters par des chercheurs d'Université Côte d'Azur, des Universités de Strathclyde (Écosse) et de Southampton (Angleterre) permet d'identifier avec précision la valeur de la puissance nécessaire à obtenir une lumière laser et par conséquent de fixer les conditions pour l'utilisation des plus petits dispositifs.  

Pour faire fonctionner un laser il faut lui fournir une quantité minimale de puissance, appelée "puissance de seuil".  Or la miniaturisation des lasers, débutée à la fin des années 80 et atteignant désormais les tailles les plus petites possibles (de l'ordre de la longueur d'onde de la lumière émise et même en dessous) pose des problèmes fondamentaux :  les modèles prévoyaient la disparition du seuil et semblaient indiquer une émission "cohérente" (c.à.d. caractéristique d'un laser) dès que l'on fournit une quantité d'énergie aussi petite que désirée.

Les mesures expérimentales, très difficiles à cause de l'intensité infime qui accompagne les plus petites sources, n'ont jusqu'ici été capables ni de confirmer ni d'infirmer cette prédiction et ont toujours donné des résultats ambigus.  Souvent, il n'était même pas possible démontrer l'émission de lumière laser!  

Pourtant la question est importante non seulement pour la compréhension fondamentale de la physique des lasers, mais également pour ses implications technologiques. Les nanolasers (souvent appelés "lasers sans seuil" dans leur plus petite taille) promettent d'être la source de lumière de choix pour les futurs "circuits optiques", qui à terme sont destinés à remplacer l'électronique.  À la place des électrons qui constituent le courant électrique de tous les circuits (ordinateurs, téléphones portables, etc.) on pourra utiliser un "courant" de photons avec des avantages majeurs :  gain considérable en vitesse (les photons se déplacent à peu près 100 fois plus rapidement que les électrons), réduction d'encombrement (on peut "croiser" des "courants" de photons sans conséquences et donc simplifier les câblages) et réduction de la dissipation thermique grâce au fait que les photons ne rencontrent pas de résistance.  Par contre, il est indispensable de savoir quand un "laser sans seuil" émet de la lumière laser plutôt que de la lumière de type LED luminescente, le type d'émission que l'on obtient de la façon la plus courante.

Un nouveau modèle, qui vient de paraître dans Physical Review Letters et issue de la collaboration entre trois équipes (University of Strathclyde, Écosse, University of Southampton, Angleterre, et Université Côte d'Azur) résout de manière définitive la question, identifiant le seuil pour tout laser -- même le plus petit -- après plus de 30 ans de débat et de tentatives infructueuses de solution. Les chercheurs sont désormais capables d'identifier avec précision la valeur de la puissance nécessaire à obtenir une lumière laser et par conséquent de fixer les conditions pour l'utilisation des plus petits dispositifs. Cette avancée pourra servir à mieux dessiner les sources de lumière qui pourront permettre la création des puces optiques pour les "data centers" qui aujourd'hui représentent un défi majeur non seulement technologique mais aussi environnemental, à cause de l'énorme rejet de chaleur dans la nature de ces centres provenant des circuits électroniques.

Ce résultat a été possible grâce à l'utilisation d'une approche entièrement innovante, jamais utilisée dans la modélisation des lasers dans leurs 60 ans de vie, et prévoit aussi la possibilité d'obtenir très simplement de la "lumière comprimée" -- c.à.d. à faible bruit -- nécessaire à la métrologie aussi qu'aux communications quantiques.
  • Contact : Gian-Luca.Lippi@inphyni.cnrs.fr