Un maser à l’état solide qui fonctionne à la température ambiante

Un maser (acronyme de “Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation”) est un appareil qui fonctionne sur le même principe que le laser mais qui fournit ou amplifie une onde hyperfréquence ( de 1 à 100GHz) et non une onde lumineuse. Des appareils de ce type ont été utilisés pour la détection de très faibles signaux hyperfréquence, en particulier pour la détection des faibles signaux reçus des vaisseaux spatiaux. Jusqu’ici, bien que leur invention ait précédé celle du laser, on a peu entendu parler d’eux car ils sont peu répandus. Cela est dû à la complexité expérimentale des masers jusqu’ici réalisés: les masers à atomes et à électrons libres doivent être équipés de lourds dispositifs de maintien du vide et de champs magnétiques élevés, les masers à état solide exigent une réfrigération cryogénique pour atteindre les basses températures nécessaires au fonctionnement de ces amplificateurs à faible  bruit ou ces oscillateurs de grande stabilité. 

En Angleterre, au  National Physical Laboratory,  Teddington et à l’ Imperial College, Department of Materials, London,  Mark Oxborrow et ses collaborateurs, ont réalisé un maserà l’état solide à la fois source d’hyperfréquence et amplificateur qui, bien que fonctionnant à la température ambiante, a un niveau de bruit exceptionnellement faible.

 

Les hyperfréquences ou micro-ondes occupent un domaine de fréquences d’environ  1  GHz à 100 GHz (1 GHz vaut 109 Hz, un milliard d’Hz), entre les  ondes radio et les  ondes infrarouges. On voit leur place indiquée dans le spectre des ondes électromagnétiques  figuré ci-dessous.

Fig.1. Vue éclatée (à gauche) du maser à état solide. Un cristal organique
de p-terphenyl dopé avec 0,01% de pentacène est placé dans un
résonateur hyperfréquence et excité par un faisceau de lumière jaune
provenant d’un laser pulsé à colorant. Par effet maser, une onde électromagnétique intense de fréquence correspondant à celle du
résonateur est excitée et extraite de celui-ci par la boucle de couplage.
A droite, une photographie du résonateur en saphir argenté à travers
lequel on aperçoit le cristal organique qui y est inséré. L’éclairage par
l’arrière révèle les défauts du cristal. Crédit Nature.

 

Schéma simplifié du fonctionnement des masers et lasers

Dans un maser, comme dans un laser, il existe un milieu dit actif dans lequel de l’énergie peut “‘pomper” des atomes dans un état d’énergie supérieur à celui de l’équilibre. Les atomes retombent sur un état d’énergie plus bas en perdant de l’énergie qui est convertie en photons de fréquence donnée.

 

 

 

Le maser à l’état solide à  la température ambiante

La figure 1 présente  l’architecture du maser réalisé par l’équipe du N.P.L. et de l’Imperial College. Le résonateur est un cylindre de saphir placé à l’intérieur d’un blindage aux parois intérieures argentées et polies. Pour le  “pompage”, on  utilise un laser pulsé à colorant du commerce. Une simple antenne en boucle placée à l’intérieur du blindage permet d’extraire le signal du résonateur.

Dans le cas présent, le milieu actif est un cristal de p-terphényl dopé au pentacène. Les différents états et les mécanismes de transition  qui conduisent à l’émission de l’onde maser sont plus compliqués (Fig.2) que dans notre schéma simplifié .

Les photons en sortie ont une fréquence de  l’ordre de 1,45 gigahertz,  ce sont les constituants d’une onde électromagnétique dans le domaine hyperfréquence.

A priori, le maser apparaît donc comme un oscillateur très monochromatique dont la fréquence de sortie est  comprise dans un très petit domaine  autour de la fréquence de résonance de la cavité .

Mais  cette émission peut aussi être stimulée par des photons de la même fréquence. Si on couple donc à la cavité une onde électromagnétique de cette fréquence mais  de faible amplitude , elle pourra stimuler l’émission d’une onde de même fréquence et de forte amplitude. On aura alors un amplificateur.

Fig.2. Schéma du mécanisme du maser solide à l’ambiante. Les molécules de pentacène dopant le cristal hôte de p-terphényl sont excitées par la lumière du laser pulsé jaune de l’état S0 de base  à l’état S1 . Elles redescendent dans trois états de spins différents formant les trois sous-niveaux de l’état triplet T1. L’occupation de ces niveaux est figuré par des cercles noirs. Le sous- niveau supérieur, X, est beaucoup plus peuplé que les deux autres; on dit qu’il y a une inversion de population entre le niveau X supérieur en énergie et le niveau Z, la transition maser a lieu entre ces deux niveaux avec émission d’une onde électromagnétique à ≈ 1,45 GHz.

 

L’oscillateur maser que décrivent les figures 1 et 2 fonctionne en régime pulsé discontinu mais les chercheurs comptent bien le faire marcher en continu. Pour cela, il sera peut-être nécessaire de faire appel à d’autres systèmes de molécules de structure proche du pentacène:p-terphényl.

Ce maser n’a pas besoin de champ magnétique continu pour fonctionner, mais si on lui applique un  tel champ de faible intensité, cela   permet de l’accorder quelque peu en fréquence.

 

Ce type d’appareil, qui fonctionne à température ambiante,  peut travailler dans un domaine de  fréquences allant de 1 à 100 gigahertz. Ce dispositif peut se révéler d’une grande utilité pour les communications spatiales, la radio astronomie et la spectroscopie hyperfréquence qui a d’importantes applications en  biologie.

Pour en savoir plus :

Nature, 488, p 353, 16 Août 2012;