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Le prix Nobel 2018 récompense trois chercheurs, dont un français, pour leurs contributions au développement des lasers.

• La première partie du prix concerne les lasers d'intensité extrême. Ces lasers produisent des impulsions ultra-courtes ($10^{-15}$ à $10^{-14}\,\text{s}$) et ultra-puissantes (jusqu'à $1\,\text{PW} = 10^{15}\,\text{W}$ !).

  Les applications sont multiples. Du côté des apports technologiques, ces lasers peuvent usiner de façon nette et précise tout type de matériau jusqu'au diamant. Du côté médical ils sont à l'origine des techniques lasers de chirurgie de l'œil. Du côté de la physique fondamentale, ils sont utilisés pour créer des conditions extrêmes en terme de champs électrique et magnétique, de température, et de production de particules relativistes, ce qui permet de tester les théories quantiques, les interactions matière-lumière ou la physique des particules. Ils peuvent servir d'alternative plus compacte aux grands accélérateurs de particules. On parle même de s'en servir pour pulvériser les débris spatiaux ou traiter les déchets radioactifs !

• La seconde partie du prix concerne les techniques de pince optique. C'est une technique qui permet de piéger de petits objets dans le faisceau focalisé d'un laser de faible puissance. Ceci permet de manipuler sans les abîmer des objets fragiles comme des micro-billes, des bactéries, des cellules, des brins d'ADN, et d'étudier en détail leurs propriétés. Ainsi les lasers fournissent encore une fois un outil précis pour l'étude de domaines comme la physique hors équilibre ou la biologie.

Quelques liens :

• Un article de Pour la Science sur les lasers d'intensité extrême. Télécharger le pdf tout en bas de leur page pour avoir toutes les figures.

• Un article de Pour la Science sur les pinces optiques. Même remarque : télécharger le pdf.

• Description du laser femtoseconde du PhLAM.

• Tout un dossier de la revue Reflets de la physique de la SFP.

Quelques détails sur le fonctionnement des lasers de puissance

Pour la description des bases du fonctionnement du laser voir le DM 3, son bilan et sa correction !

Les lasers d'intensité extrême qui font l'objet du prix Nobel possèdent une puissance de l'ordre du petawatt, soit $1\,\text{PW} = 10^{15}\,\text{W}$. Pour comparaison, un réacteur de centrale nucléaire produit une puissance de l'ordre de $1\,\text{GW} = 10^{9}\,\text{W}$, il faut donc un million de tels réacteurs pour atteindre la même puissance. Bien que tape à l'œil, une telle comparaison n'est toutefois pas vraiment pertinente : une centrale nucléaire produit de la puissance en continu, alors que ces lasers délivrent des impulsions d'une durée de l'ordre de la femtoseconde ($1\,\text{fs} = 10^{-15}\,\text{s}$). L'énergie d'une impulsion est donc $E = P\times t$ de l'ordre de quelques joules : de quoi élever la température d'un gramme d'eau de quelques degrés seulement.

Oui mais peu importe la faible énergie, le fait d'avoir une puissance importante engendre des phénomènes particuliers et intéressants : par exemple la ionisation du milieu et sa vaporisation sous forme de plasma, ou à puissance plus élevé l'amorçage de réactions nucléaires dans le matériau. Ainsi que des propriétés de précision qui permettent toutes les applications citées plus haut.

Ces lasers utilisent la technique dite CPA (chirped pulse amplification, développée justement par deux des lauréats), qui fonctionne comme suit. Dans un laser normal, le milieu amplificateur transfert de l'énergie à l'onde lumineuse via le processus d'émission stimulée. Mais une amplification jusqu'à $1\,\text{PW}$ est impossible, car à de telles puissances le faisceau lumineux détruit le milieu amplificateur et altère les différents éléments optiques comme les miroirs de la cavité... Il a donc fallu ruser :

• On produit une première impulsion à l'aide d'un laser standard. (tous les chiffres colonne de droite sont issus d'un exemple particulier : le laser femtoseconde du PhLAM)

• Puis on allonge sa durée d'un facteur $10^3$ en la faisant passer dans un élément dispersif : les différentes longueurs d'onde ne s'y propageant pas à la même vitesse, elles ressortent chacune après un temps différent, ce qui étale donc le faisceau dans le temps. Comme l'impulsion lumineuse dure plus longtemps, elle possède une puissance moindre (rappel : $E_0 = P_0\times\Delta t_0$, or l'énergie totale $E_0$ de l'impulsion est conservée, donc si la durée est augmentée de $10^3$, alors la puissance est diminuée d'autant).

• Cette impulsion rallongée et moins puissante est ensuite amplifiée de 6 à 9 ordres de grandeur par un milieu amplificateur. L'énergie de l'impulsion est donc multipliée par $\simeq 10^9$, à durée fixe, donc sa puissance est aussi multipliée par $10^9$. Le fait d'avoir allongé la durée de l'impulsion permet de se maintenir à un niveau de puissance ou le milieu amplificateur fonctionne encore correctement.

• Puis l'impulsion est comprimée temporellement : elle passe à nouveau dans un milieu dispersif, mais qui cette fois fait en sorte que toutes les longueurs d'onde qui composent le faisceau arrivent quasi en même temps en sortie. La durée $\Delta t$ de l'impulsion est donc réduite d'un facteur $10^3$ pour à nouveau valoir $\Delta t_0$. Sa puissance est donc augmentée d'autant.

C'est ainsi qu'on obtient en sortie une impulsion ultra-brève et ultra-puissante.

Le projet ELI vise même à produire des faisceaux exawatt ($10^{18}\,\text{W}$), ce qui permet de rêver à des tests de l'électrodynamique quantique en régime fortement couplé, voire même de simuler des micro-trous noirs et de séparer des paires électrons-positrons du vide...

Le prix Nobel de physique récompense cette année les efforts déployés pour détecter les ondes gravitationnelles.

En effet depuis 2015, des ondes gravitationnelles provenant de la fusion de deux trous noirs ont été détectées par les détecteurs Ligo 1 et 2 aux Etats-Unis, et Virgo en Italie.

Les deux instruments américains avaient déjà détecté de tels événements en 2015 et début 2017, et en août 2017 les trois instruments ont réalisé une détection simultanée. Cette détection simultanée en trois points de la Terre permet d'estimer plus précisément, par triangulation, la région du ciel d'où provient le signal.


Une onde gravitationnelle entraîne des contractions et dilatations de l'espace, et change donc la distance entre deux points fixes dans l'espace. Les détecteurs fonctionnent en exploitant des interférences optiques (à la façon d'un interféromètre de Michelson, voir le chapitre sur l'optique ondulatoire) : un faisceau laser parcourt un bras de 4km de long, se réfléchit sur un miroir, revient au départ pour être superposé au faisceau laser qui a fait le même parcourt dans un autre bras, perpendiculaire au premier. Lors du passage d'une onde se propageant dans une direction, un des bras est plus allongé que l'autre, et c'est cette différence qui entraîne une variation de l'intensité lumineuse mesurée.


Ainsi, après avoir voyagé pendant 1.8 milliard d'années à la vitesse de la lumière, les ondes gravitationnelles issues de la fusion de ces deux trous noirs ont atteint la Terre et nos trois détecteurs, causant un allongement relatif des bras des détecteurs d'environ \(\delta L/L \sim 10^{-21}\), où \(L \sim 3\,km\) est la longueur d'un bras de l'interféromètre. Ceci ce traduit donc par un déplacement \(\delta L \sim 10^{-18}\,m\). Les instruments ont donc dû être perfectionnés jusqu'à pouvoir détecter une variation de distance de un millième de fois la taille d'un proton ! Inutile de souligner qu'il s'agit d'une véritable prouesse technologique.


L'image ci-contre montre pour chacun des détecteurs LIGO (à gauche et à droite) (i) le signal enregistré (graphique du haut, on notera que l'ordonnée est l'allongement relatif en unité de \(10^{-21}\) !), et sur la deuxième ligne un fit par un modèle issu de calculs de relativité générale. On constate que l'accord entre modèle et mesures est excellent.


Un fit sur le signal mesuré permet d'estimer la masse des deux trous noirs et la masse finale. Par exemple dans le cas de l'évènement d'août 2017, les deux trous noirs ayant fusionnés avaient une masse de 25 et 31 fois la masse du Soleil, pour former un trou noir de 53 masses solaires. Il manque ainsi 3 masses solaires dans ce bilan : cette masse a été convertie en énergie sous forme d'ondes gravitationnelles. Ce graphique donne les données pour les autres évènements observés par LIGO.


Quelques dates :

• 1915 / 1917, Einstein : Théorie de la relativité générale et prédiction de l'existence des ondes gravitationnelles.
• 1972, Rainer Weiss : première étude de la faisabilité d'un interféromètre géant pour détecter ces ondes.
• années 1990 : validations du financement des projets LIGO et VIRGO.
• Construction et améliorations multiples des deux interféromètres.
• 12 septembre 2015 : première détection d'un signal d'ondes gravitationnelles par les deux LIGO. Attribué à la coalescence de deux trous noirs.
• D'autres détections suivent, attribuées à la coalescence de deux trous noirs.
• 17 août 2017 : signal attribué à la coalescence de deux étoiles à neutrons. Ce signal est aussi détecté par le satellite Fermi comme une bouffée de rayons gamma (un Gamma Ray Burst court dans le jargon) : résolution d'un ancien problème, les GRB courts peuvent être attribués à des coalescences d'étoiles à neutron. Cet évènement est ensuite observé par une soixantaine d'instruments, dans tout le spectre électromagnétique. C'est une première.

• Longueur des bras : 4km.
• Laser : 1064nm, qq dizaines de Watt.
• Pression dans les bras : \(10^{-7}\)Pa.
• Diamètre des miroirs : 35cm, taille des défauts sur les miroirs : au plus quelques couches atomiques, pertes inférieures à 1ppm.

• Site de LIGO.
• Virgo, ressources pédagogiques, dont des données pour chaque énèvement.
• "La détection des ondes gravitationnelles", BUP 1000.

La sonde Cassini, lancée il y a vingt ans pour explorer Saturne et ses lunes, termine sa mission en s'écrasant (de façon voulue !) dans l'atmosphère de Saturne le 15 septembre.

Voir saturn.jpl.nasa.gov/ pour suivre l'événement.

La sonde Cassini a permis de nombreuses découvertes :

• Elle a largué le module Huygens sur la lune Titan en 2004.
• Elle a permis la découverte de jets de particules de glace provenant de la surface de la lune Encelade. Ces jets sont expliqués, dans un des modèles possibles, par la présence d'un océan souterrain d'eau liquide (et la question de la présence de vie arrive alors tout de suite...).
• Elle a permis une meilleure compréhension de l'atmosphère de Saturne (observation du vortex hexagonal au pôle, du cycle de tempêtes, ...), de ses lunes, des anneaux (interactions lunes-anneaux, découverte de nouveaux anneaux).

Lien vers des images étonnantes.

Une bande dessinée pédagogique résume la découverte récente d'un système stellaire dans lequel orbitent 7 planètes, dont certaines dans la zone habitable de l'étoile. Et qui pourraient, peut-être, abriter une forme de vie...

Page wikipédia avec les données des masses, rayons, et distances à l'étoile des planètes.

Vous avez peut-être entendu parlé de la "super-lune" du 14 novembre comme d'un événement exceptionnel par certains médias.

Voici un article de la Société Française d’Astronomie et d’Astrophysique qui commente ce traitement médiatique et remet les choses à leur place.

Physique :

Le 4 octobre a été attribué le prix Nobel de physique à trois chercheurs britanniques pour avoir fait avancer la recherche sur les états superfluides et supraconducteurs de certains matériaux.

Un état superfluide est état tel que la viscosité du fluide est rigoureusement nulle et un état supraconducteur est un état tel que la résistance électrique du matériau est rigoureusement nulle.

Ces états sont dus à des effets quantiques et sont atteints à des températures très basses. Le passage d'un état "normal" à un état superfluide ou supraconducteur est une transition de phase : tout comme on passe d'une phase gazeuse à une phase liquide, on peut passer d'une phase liquide à une phase superfluide (pour certain corps). Ci-dessous figure par exemple le diagramme p-T de l'helium 4 à très basse température et très basse pression.

Chimie :

Le 5 octobre a été attribué le prix Nobel de chimie à trois chercheurs (dont le français Jean-Pierre Sauvage), pour leurs travaux sur les machines moléculaires.

Une petite vidéo de 6 minutes où Jean-Pierre Sauvage explique de quoi il s'agit.