POMPAGE OPTIQUE

Applications

La méthode de pompage optique qui permet de changer les répartitions de population entre les états Zeeman ou entre les états de structure hyperfine d'un atome en phase vapeur fait l'objet de nombreuses applications.

Toute cause qui produit une modification du degré d'orientation est susceptible d'être étudiée. Il devient ainsi possible de faire, dans les différents cas, une étude détaillée des processus de relaxation.

Un procédé efficace pour changer les répartitions de population des états atomiques est la résonance magnétique. Elle consiste à appliquer aux atomes un champ magnétique de haute fréquence. Lorsque la fréquence ν de ce champ est accordée à un intervalle d'énergie ΔE entre deux états atomiques (deux états Zeeman ou deux états hyperfins), c'est-à-dire lorsque cette fréquence satisfait à la condition de Bohr :

où h est la constante de Planck, le champ de haute fréquence induit des transitions qui ont pour effet d'égaliser les populations des deux états E_i et E_j en question.

Cette modification de population affecte la transparence de la vapeur, ce qui permet de détecter la résonance lorsqu'on fait varier la fréquence du champ alternatif. On peut ainsi mesurer avec précision les fréquences de résonance des atomes et en déduire les intervalles ΔE entre deux niveaux d'énergie.

On a vu que les techniques de pompage optique permettent d'orienter les moments magnétiques des électrons de valence des atomes alcalins. On peut les utiliser aussi pour orienter de façon analogue les moments magnétiques des noyaux atomiques et s'en servir pour mesurer des temps de relaxation nucléaire et pour déterminer les fréquences de résonance magnétique nucléaire. C'est ce qui a été fait au laboratoire de physique de l'École normale supérieure à Paris par B. Cagnac pour les noyaux des deux isotopes impairs de la vapeur de mercure ¹⁹⁹Hg et ²⁰¹Hg.

La figure montre des courbes de résonance magnétique nucléaire obtenues par B. Cagnac sur le mercure 199. Chaque courbe correspond à une amplitude constante du champ de radiofréquence appliqué dont on fait varier la fréquence, le champ magnétique appliqué, de l'ordre de 253 G, étant maintenu constant. Grâce à l'extension de cette méthode, de nombreux moments magnétiques nucléaires ont été déterminés avec une grande précision. Ainsi la valeur pour le ¹⁹⁹Hg a été trouvée égale à 0,497 865 magnéton nucléaire.

Une application importante des techniques de pompage optique en physique atomique fondamentale est la mise en évidence d'interactions fines entre le rayonnement et les atomes, interactions prévues par J. P. Barrat et C. Cohen-Tannoudji et expérimentalement étudiées par ce dernier et ses collaborateurs. Des radiations électromagnétiques soit du domaine des radiofréquences, soit du domaine optique, dont les fréquences ne sont pas des fréquences de résonance de l'atome, provoquent des transitions, appelées « transitions virtuelles », qui sont susceptibles de modifier profondément les propriétés des atomes, de déplacer leurs niveaux d'énergie et d'altérer le moment magnétique atomique. Il est ainsi possible de produire un dédoublement Zeeman grâce à un faisceau lumineux en absence de tout champ magnétique, ou au contraire de supprimer l'effet Zeeman malgré la présence d'un champ magnétique constant. Ces recherches ont conduit Cohen-Tannoudji à introduire le concept d'atome habillé (cf. Bibliographie).

Certains des intervalles entre états Zeeman sont sensiblement proportionnels au champ magnétique constant qui agit sur les atomes. Une mesure de fréquence constitue donc une mesure de champ. On utilise ainsi le pompage optique pour la construction de magnétomètres qui permettent notamment l'exploration du champ magnétique terrestre. D'autres fréquences de résonance, en particulier celles qui correspondent aux intervalles hyperfins, sont des caractéristiques de l'atome étudié. Comme ces fréquences sont susceptibles d'être mesurées avec une précision relative de l'ordre de 10^-11 à 10^-12, on peut les utiliser comme fréquences étalons et leur comparer d'autres fréquences de mouvements périodiques, celles des horloges à quartz, des pendules de gravitation, de la Terre en rotation. On est ainsi amené à définir l'unité de temps par des horloges atomiques telle celle qui est fondée sur la mesure de fréquence de l'intervalle hyperfin de l'atome de ¹³³Cs ou de celui de ⁸⁷Rb.

De telles horloges sont actuellement construites à l'échelle industrielle.

Signalons aussi l'application étudiée par C. Cohen-Tannoudji, S. Haroche et J. Dupont-Roc, qui met en évidence et permet de mesurer des champs magnétiques extrêmement faibles, de l'ordre de 10^-9 à 10^-10 G.

Les techniques de pompage optique, qui ont été développées tout d'abord sur les vapeurs monoatomiques diluées, ont été appliquées avec succès par J. Margerie à des ions paramagnétiques et à des centres F dans les cristaux.

Enfin, c'est par un procédé de pompage optique qu'on réalise entre les niveaux d'énergie des ions dans les cristaux l'inversion de population qui permet le fonctionnement des lasers. À l'équilibre thermique, conformément à la formule de Boltzmann, un niveau quantique supérieur est toujours moins peuplé qu'un niveau inférieur dans l'échelle d'énergie d'un atome ou d'un ion. Grâce à un pompage optique avec un faisceau lumineux intense, on peut peupler davantage un niveau supérieur qu'un niveau inférieur. On dit alors qu'il existe entre les deux niveaux une « inversion de population ». Une telle inversion est nécessaire pour que le processus d'émission induite prévu par Einstein l'emporte sur le processus d'absorption et pour déclencher ainsi l'effet laser.

Il existe d'autres procédés que le pompage optique pour obtenir des inversions de population et pour déclencher l'effet laser. Le procédé de pompage optique est utilisé dans le laser à rubis (mis au point par T. H. Maiman en 1960) fondé sur les niveaux d'énergie de l'ion trivalent de chrome dans un cristal de rubis (corindon Al₂O₃, coloré en rose par la présence de ces ions).

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