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Théodore Maiman et son premier laser optique à rubis. © Kathleen Maiman
On va bientôt fêter l'anniversaire de la création du premier laser dans le visible. C'est en effet le 16 mai 1960 que le physicienphysicien américain Theodor Maiman a, le premier, réussi à transposer dans le domaine optique le maser. De nos jours les types de lasers fonctionnant avec divers matériaux et à plusieurs longueurs d'onde se sont multipliés. Les usages sont aussi très divers puisqu'ils vont de la lecture des DVDDVD à des applications plus exotiquesexotiques comme le refroidissement d'ions afin de réaliser un simulateur quantique. De nouvelles applications et de nouvelles voies pour produire un effet laser sont sans cesse découvertes. En témoigne un article récemment publié dans Nature Nanotechnology par des physiciens de l'université de Brown aux États-Unis. Ces chercheurs sont parvenus à faire sauter un verrouverrou dans la fabrication de certains lasers à boîtes quantiques.
Au départ, il s'agit de lasers à semi-conducteurslasers à semi-conducteurs bien connus puisque les lecteurs de DVD en contiennent. Une boîte quantique n'est donc qu'une nouvelle incarnation de cette technique de production d'un effet laser. Les boîtes quantiques sont des paquetspaquets d'atomesatomes aux propriétés électroniques intermédiaires entre celles des semi-conducteurs et celles des moléculesmolécules discrètes. Elles ont été découvertes au début des années 1980 par le physicien du solidesolide russe Alexei Ekimov.
Toutefois, l'une des limitations habituelles des lasers à semi-conducteur, bien qu'ils soient faciles à produire en massemasse et à bas prix, est qu'il faut changer la composition chimique du matériaumatériau si l'on veut obtenir différentes couleurscouleurs. Or, dans le cas de certaines boîtes quantiques colloïdales (colloidal quantum dotsquantum dots ou CQD en anglais) que l'on peut rendre fluorescentes dans le visible avec de la lumièrelumière ultraviolette, comme le montre l'image ci-dessous, il suffit de faire varier la taille nanométrique de ces boîtes pour obtenir des couleurs différentes.
Soumises à un rayonnement ultraviolet, des boîtes quantiques colloïdales (colloidal quantum dots ou CQD en anglais) faites d'un même matériau de diverses dimensions, deviennent fluorescentes dans le visible. © Andrey Rogach
Les chercheurs de l'université de Brown ont donc cherché un moyen d'obtenir facilement des lasers semi-conducteurs de différentes couleurs dans le visible à partir de boîtes quantiques constituées d'un même matériau mais de tailles différentes. On savait déjà réaliser des lasers à boîtes quantiques mais ils consommaient souvent beaucoup trop d'énergieénergie.
Des lasers à boîtes quantiques 1.000 fois plus efficaces
En effet, lorsqu'on irradie des boîtes quantiques, il se forme ce qu'on appelle des excitons, des sortes de quasi-particules quantiques que l'on peut voir comme une paire électronélectron-trou liée par des forces de CoulombCoulomb. Un excitonexciton peut ainsi se former lorsqu'un photonphoton est absorbé par un semi-conducteur, faisant passer un électron de la bande de valencebande de valence à celle de conduction. Cela fait donc apparaître un défaut de charge dans la bande de valence que l'on peut considérer comme une particule de charge positive. L'électron dans la bande de conductionbande de conduction pouvant parfois être attiré par ce trou, il se forme l'équivalent d'un atome d'hydrogènehydrogène.
Tout comme une population de ces atomes peut être le lieu de la manifestation d'un effet laser, une population d'excitons le permet aussi. Malheureusement, lorsque ces excitons se mettaient à émettre de la lumière dans les lasers à boîtes quantiques réalisés jusqu'à présent, beaucoup des photons émis étaient absorbés par des électrons qu'ils éjectaient des boîtes quantiques. Il s'agissait donc d'un effet Augereffet Auger, bien connu avec des atomes excités par rayons Xrayons X, en conséquence de quoi le rendement de l'effet laser obtenu était faible.
Pour contourner le problème, les physiciens ont recouvert des boîtes quantiques colloïdales en séléniure de cadmiumcadmium d'une couche d'un alliagealliage approprié de zinczinc, cadmium et soufresoufre. Ils ont ainsi réalisé des CQD vertical-cavity surface-emitting laser (CQD-VCSEL) mille fois plus efficaces que les lasers à boîtes quantiques habituels.
Ces CQD-VCSEL sont des variantes des VCSEL, un type de diode laser à semi-conducteur émettant un rayon laser perpendiculairement à la surface, contrairement aux lasers conventionnels à semi-conducteurs émettant par la tranche. Le résonateur laser y est constitué de deux miroirsmiroirs de Bragg parallèles, des couches alternées de matériaux d'indices de réfractionindices de réfraction différents prenant en sandwich la région active contenant les boîtes quantiques. Les VCSEL sont employés dans la spectroscopie d'absorptionabsorption, les applications optiques de souris de PCPC et la transmission de données dans les fibres optiques.
