Des paquets stables d’ondes lumineuses, appelés solitons optiques, sont émis dans des lasers à impulsions ultracourtes sous la forme d’une chaîne de flashs lumineux. Ces solitons se combinent souvent par paires avec une séparation temporelle très courte. En introduisant des vibrations atomiques dans la gamme des térahertz, des chercheurs des universités de Bayreuth et de Wrocław ont maintenant résolu l’énigme de la formation de ces liens temporels. Ils rapportent leur découverte dans Communication Nature. La dynamique des paquets de lumière couplés peut être utilisée pour mesurer les vibrations atomiques en tant que « empreintes digitales » caractéristiques des matériaux d’une manière extrêmement rapide.
Dans les lasers à impulsions ultracourtes, les solitons optiques peuvent former des liaisons spatiales et temporelles particulièrement étroites. Celles-ci sont également appelées « molécules de solitons » ultracourtes car elles sont couplées de manière stable les unes aux autres, comme les atomes chimiquement liés d’une molécule. Le groupe de recherche de Bayreuth a utilisé un laser à solide largement utilisé composé d’un cristal de saphir dopé avec des atomes de titane pour découvrir comment ce couplage se produit. Tout d’abord, un seul flash de lumière principal stimule les atomes du réseau cristallin du saphir pour qu’ils vibrent instantanément. Ce mouvement caractéristique oscille dans la gamme des térahertz et décroît à nouveau en quelques picosecondes (une picoseconde correspond à un trillionième de seconde). Dans ce laps de temps extrêmement court, l’indice de réfraction du cristal change. Lorsqu’un deuxième éclair lumineux suit immédiatement et rattrape le premier, il perçoit ce changement : il n’est pas seulement légèrement affecté par les vibrations atomiques, mais peut aussi être lié de manière stable au soliton précédent. Une « molécule soliton » est née.
« Le mécanisme que nous avons découvert est basé sur les effets physiques de la diffusion Raman et de l’auto-focalisation. Il explique une variété de phénomènes qui ont déconcerté la science depuis l’invention des lasers titane-saphir il y a plus de 30 ans. Ce qui est particulièrement excitant dans cette découverte, c’est que nous pouvons maintenant exploiter la dynamique des solitons lors de leur génération dans la cavité laser pour balayer extrêmement rapidement les liaisons atomiques dans les matériaux. La mesure complète d’un spectre dit Raman intracavité prend maintenant moins d’un millième de seconde. Ces résultats peuvent aider développer des microscopes chimiquement sensibles particulièrement rapides qui peuvent être utilisés pour identifier des matériaux. De plus, le mécanisme de couplage ouvre de nouvelles stratégies pour contrôler les impulsions lumineuses par des mouvements atomiques et, inversement, pour générer des états matériels uniques par des impulsions lumineuses », explique le professeur junior Dr. Georg Herink, responsable de l’étude et professeur junior de dynamique ultrarapide à l’Université de Bayreuth.
Parallèlement à l’analyse des données expérimentales, les chercheurs ont réussi à développer un modèle théorique de la dynamique des solitons. Le modèle permet d’expliquer les observations obtenues dans les expériences et de prédire de nouveaux effets des vibrations atomiques sur la dynamique des solitons. Les interactions des solitons dans les systèmes optiques et leurs applications pour la spectroscopie à grande vitesse sont actuellement étudiées dans le projet de recherche DFG FINTEC à l’Université de Bayreuth.
Alexandra Völkel et al, la diffusion Raman intracavité couple des molécules de soliton avec des phonons térahertz, Communication Nature (2022). DOI : 10.1038/s41467-022-29649-y