ASHKIN ARTHUR (1922-2020)

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Le physicien américain Arthur Ashkin a reçu le prix Nobel de physique en 2018 pour ses « inventions révolutionnaires dans le domaine de la physique des lasers ».

Né le 2 septembre 1922 à New York, au sein d’une famille d’origine juive ukrainienne, Ashkin a passé sa jeunesse dans le quartier de Brooklyn, à New York. Son père, Isadore Aschkinase, émigré aux États-Unis en 1909, naturalisé et ayant américanisé son nom, gérait un laboratoire dentaire à Manhattan. En 1942, la Seconde Guerre mondiale interrompt ses études universitaires et il est affecté jusqu’en 1945 comme technicien au laboratoire d’étude des rayonnements de l’université Columbia à New York, dans le cadre du programme militaire de mise au point des radars. Il y travaille en particulier sur le développement des magnétrons, ces dispositifs générateurs de micro-ondes dont les progrès ont joué un rôle crucial dans la victoire alliée en contribuant à la mise au point des radars. Son frère aîné, Julius Ashkin (1920-1982), participe alors comme physicien nucléaire au projet Manhattan qui réalise les premières bombes atomiques.

Après avoir obtenu son bachelor en physique à Columbia en 1947, Arthur Ashkin achève ses études supérieures dans l’équipe de physique nucléaire de l’université Cornell, à Ithaca, dans l’État de New York. Ses travaux concernent principalement la mesure de l’absorption des photons de grande énergie (280 mégaélectronvolts, MeV) par divers éléments, du béryllium à l’uranium. Pour cela, il utilise le synchrotron à électrons récemment construit à Cornell. Les électrons accélérés jusqu’à 320 MeV rayonnent naturellement des photons dont on détecte le passage avant et après qu’ils traversent une chambre de 75 centimètres de longueur où différents « absorbeurs » sont placés. La nouveauté de l’expérience est la réalisation et l’utilisation par Ashkin et son directeur de thèse d’un spectromètre capable de détecter les paires électron-positron dans lesquelles se matérialisent parfois des photons. Les résultats obtenus, qui se révèlent en accord avec les prédictions théoriques obtenues dans les années 1930 par les pionniers de l’électrodynamique quantique, lui permettent de soutenir sa thèse de doctorat en 1952. Il passe alors du domaine de la physique nucléaire à l’optique en rejoignant les laboratoires Bell de l’AT&T (American Telephone and Telegraph Company), installés depuis 1925 à Holmdel dans le New Jersey. C’est dans ce célèbre centre de recherche qu’ont été inventés le transistor (en 1947) et de nombreux autres dispositifs électroniques. Ashkin y fera toute sa carrière jusqu’à sa retraite, en 1992.

Ashkin s’intéresse d’abord à la physique des faisceaux d’électrons ainsi qu’à la théorie et à la conception d’amplificateurs paramétriques. En même temps que de nombreuses publications scientifiques en physique appliquée, il dépose plusieurs brevets pour des instruments optiques ou électroniques tels qu’un nouveau type de tube à ondes progressives ou des amplificateurs à bas bruit pour les klystrons, ces tubes à vide dont les cavités résonantes amplifient les micro-ondes. En 1961, Ashkin oriente ses travaux vers l’étude des lasers, ces « masers optiques » récemment inventés et rapidement devenus l’objet de nombreuses recherches aux laboratoires Bell comme dans bien d’autres endroits. En 1963, il est nommé directeur du département de physique des lasers, poste qu’il occupera pendant vingt-cinq ans sans que ces fonctions administratives ralentissent sa fécondité scientifique et technique. Il invente alors plusieurs procédés reliés en particulier à l’utilisation de jonctions semi-conductrices pour la modulation de faisceaux lumineux ou à la stabilisation des amplificateurs des lasers.

À la fin des années 1960, il se passionne pour le défi que présente le phénomène de « force de pression de rayonnement », nécessaire conséquence de la quantification d’une onde électromagnétique en « particules de lumière », les photons, qui exercent une force sur les objets qu’ils heurtent, comme dans toute collision entre deux corps. Cette force est si faible qu’elle est en général masquée par les effets thermiques, mais elle devient fondamentale pour la stabilité de certaines étoiles très massives et très chaudes dans lesquelles elle s’oppose à l’effondrement gravitationnel. En 1969, Ashkin utilise un laser à argon à faisceau continu et parvient à mettre en évidence la pression de rayonnement. Dans son célèbre article publié en janvier 1970 dans les Physical Review Letters de la société américaine de physique, il démontre que la grande intensité d’un faisceau laser de 1 watt permet de soumettre une bille de matériau diélectrique d’un micromètre de diamètre et de densité 1 à une accélération de l’ordre de 1 000 km/s2. Il focalise pour cela le faisceau sur des microbilles de latex transparent en suspension dans l’eau ; il observe au microscope que les billes sont en même temps attirées vers le centre du faisceau et accélérées dans la direction de la lumière. Il explique ce phénomène par un raisonnement semi-classique d’optique géométrique où la microbille joue le rôle d’une lentille convergente parce que son indice de réfraction est supérieur à celui du liquide.

Ashkin démontre de plus que l’utilisation de deux lasers dont les rayons se croisent permet de piéger une particule au point de croisement. Cette « bouteille optique », comme il l’appelle dans la publication originale, devient vite célèbre sous le nom de « pince optique » permettant de manipuler toutes sortes d’objets microscopiques. Avec Steven Chu (né en 1948), il réalise en 1984 un piège atomique dans lequel des atomes de sodium sont confinés et refroidis jusqu’à une température de 240 microkelvins. Ce travail inaugure un nouveau domaine de la physique atomique, celle des atomes ultrafroids, où de nouveaux phénomènes quantiques – comme la condensation de Bose, en 1995 – seront observés. Beaucoup s’étonneront alors qu’Ashkin ne partage pas avec Chu le prix Nobel de physique qui couronne ces travaux en 1997. À la fin des années 1980, Ashkin réalise des montages permettant de piéger et manipuler des virus, des bactéries et d’autres structures biologiques comme des mitochondries, centrales énergétiques des cellules, à l’intérieur même de ces dernières, sans les endommager.

Arthur Ashkin et Steven Chu

Photographie : Arthur Ashkin et Steven Chu

Arthur Ashkin (à droite sur la photo) et Steven Chu ont travaillé ensemble, au cours des années 1980, sur le refroidissement et le piégeage des atomes par des lasers. Ce cliché a été pris en 1986 dans leur laboratoire de la société AT&T Bell, à Holmdel, dans le New Jersey. 

Crédits : Avec l'aimable autorisation de Steven Chu

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Après sa retraite et grâce à des équipements cédés par les laboratoires Bell, il installe un laboratoire dans le sous-sol de sa maison et y poursuit des recherches qu’il oriente vers l’amélioration des procédés photovoltaïques de récupération de l’énergie solaire, ces travaux se concrétisant par le dépôt de plusieurs brevets, celui par exemple d’un collecteur solaire composé d’un arrangement pyramidal de miroirs ultraréfléchissants. En 2018, récompensé tardivement par l’académie de Suède, A [...]

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  • : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau

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PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2018

  • Écrit par 
  • Philippe BALCOU, 
  • Vincent CROQUETTE
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Dans le chapitre « Arthur Ashkin et son outil révolutionnaire : la « pince optique » »  : […] Quant à l’Américain Arthur Ashkin, il est récompensé pour avoir mis au point au milieu des années 1970 la pince optique. Il s’agit d’utiliser la force résultant de la réfraction d’un faisceau laser en milieu transparent pour maintenir et déplacer physiquement de très petits objets comme des cellules, des bactéries, des molécules ou encore des atomes. Le laser employé ici n’est pas un laser à impu […] Lire la suite

Pour citer l’article

Bernard PIRE, « ASHKIN ARTHUR - (1922-2020) », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 29 novembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/arthur-ashkin/