Le positronium, c’est une sorte d’atome exotique. Un mélange de matière et d’antimatière. Et placé dans un état que les physiciens connaissent sous le nom de condensat de Bose-Einstein, il constituerait l’élément clé du laser à rayons gamma. Or, un chercheur pense être prochainement en mesure de produire un tel condensat.
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Depuis longtemps, les chercheurs espèrent réussir à mettre au point un laser gamma. Car un tel appareil, qui produirait des rayons gamma cohérents, trouverait des applications aussi bien dans le domaine de l'imagerie médicale que de la propulsion des engins spatiaux et même du traitement du cancercancer.
Les travaux d'un physicienphysicien de l'université de Californie à Riverside (États-Unis) pourraient bien aider à toucher enfin au but. « Mes calculs montrent qu'une bulle constituée d'un million d'atomes de positronium [des atomes exotiquesexotiques formés chacun d'un positron et d'un électronélectron, ndlr] dans de l'héliumhélium liquideliquide aurait une densité six fois supérieure à l'airair ordinaire et existerait sous la forme d'un condensat de Bose-Einsteincondensat de Bose-Einstein », explique Allen Mills. Un état que les physiciens estiment pouvoir constituer la base d'un laser à rayons gamma.
De la théorie à la pratique
La stabilité du positroniumpositronium dans l'hélium liquide avait déjà été signalée en 1957. Cette fois, Allen Mills explique que la formation de bulles de positronium tient au fait que l'hélium repousse ces atomes exotiques jusqu'à les concentrer sous cette forme.
Dans une prochaine étape, le physicien compte configurer un faisceau d'antimatièreantimatière afin de réellement produire le type de bulles de positronium. Des bulles qu'il imagine pouvoir servir de sources à condensats de Bose-Einstein. « À court terme, nos expériences pourraient nous mener à observer la formation d'un faisceau laser à atomes de positronium », s'enthousiasme Allen Mills.
Une nouvelle voie pour réaliser le mythique laser gamma
Un physicien russe vient de proposer une nouvelle voie à explorer pour parvenir un jour à générer un laser gamma à partir de transitions dans un noyau atomique. Selon lui, on pourrait déjà obtenir un effet laser dans le domaine optique à l'aide de noyaux de thoriumthorium.
Article de Laurent SaccoLaurent Sacco paru le 02/05/2011
On ne commença vraiment à comprendre l'origine des rayons gamma que dans les années 1930, à la suite des progrès de la physiquephysique nucléaire, basée sur la découverte de la mécanique quantiquemécanique quantique. Tout comme l'émissionémission de la lumièrelumière dans le domaine des ultravioletsultraviolets et des rayons Xrayons X, il s'agissait de transitions entre différents niveaux d'énergiesénergies quantifiés. Mais au lieu de se produire dans les couches électroniquescouches électroniques entourant le noyau d'un atome, elles se produisaient dans le noyau lui-même. Pour le comprendre et le modéliser, il avait fallu pour cela transposer le modèle en couches pour les électrons aux protonsprotons et neutronsneutrons des noyaux. Le premier à le faire fut le grand physicien ukrainien Dmitri Ivanenko à qui l'on doit des travaux importants aussi bien en physique nucléaire qu'en relativité généralerelativité générale.
Or, s'il existe des niveaux d'énergies quantiques dans un noyau pour les protons, il doit être possible de réaliser avec ces noyaux de l'émission stimuléeémission stimulée, tout comme pour les atomes. Ce qui veut dire qu'il devrait être possible de faire un laser gamma, encore appelé un graser.
Un laser révolutionnaire mais toujours mythique
Les militaires s'intéressent depuis longtemps à la réalisation d'un graser, qui reste pour le moment mythique. Mais il y aurait aussi de nombreuses applications dans le domaine de la physique fondamentale, et probablement aussi en ingénierie, si l'on disposait un jour d'un laser à rayons gamma. On pourrait ainsi fabriquer des horloges nucléaires plus précises que des horloges atomiqueshorloges atomiques et peut-être découvrir ainsi que certaines constantes fondamentales varient très lentement dans le temps, comme l'autorise la théorie des cordes.
Malheureusement, personne n'a jusqu'ici trouvé le moyen de contourner les obstacles à l'obtention d'un graser de laboratoire.
Le physicien russe Eugene Tkalya propose, lui, dans un article disponible sur Arxiv et publié par Physical Review Letters, d'essayer d'obtenir d'abord un laser dans le domaine optique avec des noyaux. Selon ses calculs théoriques, il suffirait de substituer à certains atomes de calciumcalcium présent dans du LiCaAlF6 des atomes de thorium pour obtenir un matériaumatériau pouvant être le siège d'un effet laser.
Les problèmes de l'inversion de population et du recul des noyaux
Il existerait alors en effet dans les noyaux de thorium associés aux autres éléments dans cette configuration, deux niveaux d'énergies similaires à ceux des électrons dans un atome. Des transitions atomiques dans le domaine presque optique et non plus gamma peuvent donc s'y produire. Mais le plus important est que les photonsphotons qui seraient émis le seraient à des fréquencesfréquences ne leur permettant que très peu d'interagir avec les électrons des couches atomiques. Cependant pour obtenir un effet laser, il faut réaliser une inversion de population, c'est-à-dire forcer un grand nombre de nucléonsnucléons sur l'état d'énergie le plus bas de ces deux niveaux à se trouver sur celui qui est le plus haut. Alors seulement une émission stimulée sous l'effet d'une radiation électromagnétique pourrait produire un effet laser.
D'après Tkalya, en utilisant d'abord un champ magnétiquechamp magnétique intense, ou un très fort gradientgradient de champ électriquechamp électrique, puis des impulsions lasers dans l'ultraviolet, une telle inversion de population peut théoriquement être réalisée. Le premier obstacle à l'obtention d'un laser avec un noyau serait donc ainsi levé.
Le second obstacle, celui de l'émission cohérente de la lumière laser, pourrait quant à lui être levé en utilisant l'effet découvert par Rudolf Mössbauer et pour lequel il a reçu le prix Nobel. En effet, en émettant un photon gamma, un noyau subit un recul, traduisant une modification de la fréquence du photon gamma mesurée par un observateur au repos par rapport à un autre noyau. Cela peut rendre impossible l'émission stimulée d'un autre photon de même fréquence par un autre noyau. Toutefois, dans un réseau cristallinréseau cristallin, les liaisons sont telles que c'est non plus à un seul noyau mais à tout le réseau que le transfert d'impulsion lié à l'émission du premier photon se fait.
En pratique, le recul des noyaux est infime et l'on pourrait donc bien obtenir un effet laser...
