6.1. Une force exercée par la lumière sur la matière

Les photons transportent de la quantité de mouvement. Le flux de photons que représente un faisceau lumineux est donc capable de transférer de la quantité de mouvement à la matière. Rapportée à l’unité de temps, ce transfert de quantité de mouvement donne lieu à une force. Et celle-ci, rapportée à l’unité d’aire, représente une pression. Ainsi, un rayonnement électromagnétique peut exercer une pression, qu’on appelle pression de radiation.

Une manifestation macroscopique bien connue de cet effet est l’orientation opposée au Soleil de la queue des comètes (du moins celles qui dégazent des particules neutres ; pour les autres, c’est le vent solaire plutôt que la pression de radiation qui agit sur l’orientation de la queue).

crédit : JPL Picture Archive

On peut aisément estimer la force subie par des atomes dans un faisceau laser dont la fréquence lumineuse n correspond à l’écart d’énergie entre deux niveaux atomiques (a) et (b). L’atome supposé initialement immobile absorbe un photon, et acquiert donc une quantité de mouvement MV = hn/c u, où u est le vecteur unitaire de la direction du faisceau (M et V sont la masse et la vitesse de l’atome).

Le changement de vitesse correspondant, hn/(Mc), est appelé vitesse de recul, que l’on peut noter V_R. Prenons l’exemple de l’atome de sodium. La lumière permettant de le faire passer de son niveau fondamental à son premier niveau excité est de longueur d’onde l = 589 nanomètres (c’est la fameuse raie jaune du sodium). La vitesse de recul V_R de l’atome de sodium vaut alors environ 3,1 cm/s.

Au bout d’un temps moyen t (la durée de vie), l’atome se désexcite et réémet un photon de même fréquence. Ce photon peut être émis dans n’importe quelle direction, mais les probabilités sont égales pour deux directions opposées. L’effet moyen du recul dû à l’émission spontanée sur la quantité de mouvement est donc nul. Par conséquent, en un cycle d’absorption-émission, l’atome gagne en moyenne une quantité de mouvement égale à hn/c u.

L’accélération (ou la décélération) peut atteindre 100 000 fois l’accélération de la pesanteur terrestre !

La force ci-dessus peut être utilisée pour ralentir et immobiliser un jet d’atomes. Le principe, développé à la fin des années 1970, consiste à disposer le jet atomique et le faisceau laser en opposition, la fréquence lumineuse étant convenablement choisie. Les atomes et les photons se propageant en sens inverse, la force subie par les atomes est en sens opposé de leur vitesse : les atomes sont donc freinés.
Dans les jets atomiques usuels, la vitesse V₀ des atomes est de l’ordre de 1 000 m/s. Le jet atomique est donc stoppé en un temps T = V₀/a, soit

Une précision sur ce qui précède : en ralentissant, les atomes voient la fréquence laser varier, par effet Doppler. Pour que les atomes restent en résonance, c’est-à-dire continuent d’absorber les photons qui vont à leur rencontre, il existe deux méthodes. L’une est le « balayage en fréquence » : on adapte la fréquence laser en l’augmentant au fur et à mesure que le temps s’écoule et que les atomes ralentissent. L’autre est le « ralentisseur Zeeman » : un champ magnétique inhomogène décale légèrement les niveaux d’énergie (en fonction de la position des atomes) de façon que l’écart E_b – E_a entre les deux niveaux reste en résonance avec la fréquence laser, celle-ci étant fixe.

L’effet Doppler

La fréquence d’une onde telle qu’elle est mesurée par un observateur dépend du mouvement relatif entre la source et lui. S’il se rapproche de la source, la fréquence apparente est supérieure à la fréquence d’émission. Si l’observateur s’éloigne de la source, c’est le contraire. C’est bien connu : le bruit d'un train qui s’approche est plus aigu que s’il s’éloigne.

Plus précisément, prenons le cas d’un observateur et d’une source dont la vitesse relative V est dirigée selon l’axe observateur-source (pas de mouvement transversal, et V positive si l’observateur et la source s’éloignent). Soit c la vitesse de propagation des ondes, supposée grande par rapport à V, et soit f₀ la fréquence des ondes telle qu’elle est mesurée dans le référentiel de la source. Alors, au premier ordre en V/c, la fréquence f mesurée par l’observateur est égale à

f = f₀(1 – V/c)