Theodor W. Hänsch : Le physicien qui a compté la lumière

La lumière oscille environ un million de milliards de fois par seconde. Pendant la majeure partie du XXe siècle, cela rendait les fréquences optiques pratiquement impossibles à compter ; aucun système électronique ne pouvait suivre, et les physiciens devaient les mesurer par des chaînes de comparaison indirectes si laborieuses que seule une poignée de laboratoires dans le monde s'y risquaient. Theodor Hänsch a construit l'instrument qui les compte directement. Le peigne de fréquences optiques a transformé la mesure la plus exigeante de la physique en une opération qu'un étudiant diplômé peut effectuer sur une paillasse, et lui a valu un quart du prix Nobel de physique 2005.

Heidelberg

Hänsch est né le 30 octobre 1941 en Allemagne et a fait ses études au Helmholtz-Gymnasium de Heidelberg. Il est resté dans la ville pour ses études universitaires, obtenant à la fois son Diplom et son doctorat à l'université de Heidelberg au cours des années 1960, la décennie où le laser est passé d'une curiosité démontrée en 1960 à l'outil central de l'optique expérimentale. La carrière de Hänsch consistera, essentiellement, à pousser cet outil aux limites de ce que signifie la précision.

Stanford et Schawlow

En 1970, il traverse l'Atlantique en tant que boursier postdoctoral de l'OTAN à l'université de Stanford, rejoignant le groupe d'Arthur L. Schawlow, qui avait co-inventé le concept du laser et recevrait son propre prix Nobel en 1981. La bourse a duré jusqu'en 1972, et Stanford l'a gardé : il y a servi comme professeur adjoint jusqu'en 1986. Le laboratoire Schawlow était le bon endroit au bon moment, et l'arrivée de Hänsch a coïncidé avec sa première invention majeure.

Le laser accordable

Également en 1970, Hänsch a produit un laser générant des impulsions d'une résolution spectrale extraordinairement élevée : une précision d'environ une partie par million, bien au-delà de tout ce qui était disponible à l'époque. L'innovation clé a été d'introduire l'expansion télescopique du faisceau intracavité dans les oscillateurs laser accordés par réseau, ce qui a donné le premier laser accordable à raie étroite.

L'importance de cette phrase mérite d'être expliquée. Un laser produit de la lumière à une couleur unique et nettement définie, ce qui le rend utile ; mais une couleur fixe n'est utile que si elle correspond à la transition atomique que vous souhaitez étudier. Un laser accordable avec une raie étroite peut être réglé sur n'importe quelle fréquence choisie tout en restant spectralement pur, ce qui signifie qu'un expérimentateur peut aborder une transition quantique spécifique dans un atome spécifique et l'interroger directement. La spectroscopie laser en tant que discipline de travail date de cette capacité.

Hydrogène

Hänsch a dirigé l'instrument vers l'atome le plus simple de l'univers. L'hydrogène — un proton, un électron — est le seul atome dont les niveaux d'énergie peuvent être calculés de manière pratiquement exacte par la théorie quantique, ce qui en fait le lieu naturel pour tester la théorie par rapport à la mesure. Toute divergence entre la fréquence prédite et observée d'une transition de l'hydrogène est une divergence dans la physique fondamentale elle-même.

En utilisant son laser accordable, Hänsch a mesuré la fréquence de transition de la raie de Balmer de l'hydrogène avec une précision dont personne ne s'était approché. Plus tard, avec les outils qui ont suivi, il a poussé la mesure de la raie de Lyman à une partie pour cent mille milliards. À cette résolution, l'atome d'hydrogène devient un étalon métrologique : il fixe la constante de Rydberg, contraint la taille du proton et teste l'électrodynamique quantique à la limite de sa validité.

Le peigne de fréquences

L'obstacle pour aller plus loin était le comptage. Les fréquences dans le domaine optique sont tout simplement trop rapides pour être mesurées par rapport à une horloge de manière conventionnelle, et les chaînes de fréquences élaborées construites pour combler le fossé étaient de la taille d'une pièce, capricieuses et presque introuvables.

À la fin des années 1990, à l'Institut Max Planck de Garching, Hänsch a développé le générateur de peigne de fréquences optiques. Un peigne est un laser produisant un train extrêmement régulier d'impulsions ultracourtes dont le spectre consiste en des millions de fréquences espacées uniformément et connues avec précision — une règle dans l'espace des fréquences, avec des dents. Toute fréquence optique inconnue peut être comparée à la dent la plus proche, et le peigne lui-même peut être verrouillé sur une horloge atomique à micro-ondes. Le résultat a été un lien direct entre les fréquences radio qu'une horloge peut compter et les fréquences optiques de la lumière visible, fournissant des mesures des millions de fois plus précises que les méthodes qu'il a remplacées.

Les conséquences sont vastes. Les horloges atomiques optiques, la navigation par satellite, les tests de relativité et les recherches sur la dérive des constantes fondamentales au cours du temps cosmologique reposent toutes sur le peigne. Si la constante de structure fine change lentement, le peigne est l'instrument qui le détectera.

Le Nobel

En 2005, Hänsch a reçu un quart du prix Nobel de physique pour ses contributions au développement de la spectroscopie de précision basée sur le laser, y compris la technique du peigne de fréquences optiques, partageant le prix avec John L. Hall et Roy J. Glauber. La reconnaissance s'était accumulée pendant deux décennies : le prix Comstock de physique en 1983, la médaille Albert A. Michelson en 1986, le prix Gottfried Wilhelm Leibniz en 1989, le prix Einstein pour la science laser en 1995, le prix Arthur L. Schawlow en 1996, la médaille Stern-Gerlach en 2000. L'année du Nobel a apporté un groupe d'autres prix : le prix Otto Hahn, le prix I. I. Rabi et la médaille Frederic Ives. La Société américaine d'optique l'a nommé membre honoraire en 2008.

Munich

Hänsch est retourné en Allemagne en 1986 en tant que directeur de l'Institut Max Planck d'optique quantique, et occupe une chaire de physique expérimentale et de spectroscopie laser à l'université Ludwig Maximilian de Munich. Son laboratoire a été l'un des terrains de formation les plus productifs de l'optique moderne ; son doctorant Carl E. Wieman a obtenu le prix Nobel de physique 2001 pour la création de condensats de Bose-Einstein.

Pourquoi Hänsch est important

C'est un constructeur d'instruments, et les instruments survivent aux théories. Le laser accordable à raie étroite a donné aux physiciens le contrôle sur la couleur de la lumière ; le peigne de fréquences leur a donné la capacité de compter ses oscillations. Ensemble, ils ont fait passer la mesure optique d'un art pratiqué par quelques spécialistes à une technique standard, et ils ont élevé la précision de la physique fondamentale de plusieurs ordres de grandeur. Chaque horloge atomique optique actuellement en fonctionnement — et chaque futur test pour savoir si les lois de la nature sont vraiment constantes — dépend d'une règle que Hänsch a construite.