Le nouveau laser à cascade quantique, qui pourrait aider les astronautes à trouver de l’eau sur la Lune, à côté d’une pièce de 25 cents américains pour l’échelle.

Les ingénieurs du Goddard Space Flight Center de la NASA ont mis au point un laser minuscule mais puissant qui pourrait un jour aider les astronautes à trouver de l’eau sur la Lune. Plus petit qu’une pièce de monnaie américaine, le laser utilise les effets de la mécanique quantique pour produire un faisceau dans la gamme des térahertz (THz), qui peut mettre en évidence l’eau cachée.

Depuis plus de dix ans, nous savons avec certitude qu’il y a de l’eau sur la Lune, grâce à des missions comme Chandrayaan-1. Cet orbiteur a imagé la surface lunaire à l’aide d’un spectromètre qui a mesuré la réflexion et l’absorption de différentes longueurs d’onde de la lumière, ce qui peut révéler la composition de la matière présente, y compris les molécules d’eau.

Aussi utiles que soient ces instruments, ils n’avaient pas la sensibilité nécessaire pour faire la différence entre l’eau et des formes similaires comme les ions hydrogène libres et l’hydroxyle. Des instruments plus précis appelés spectromètres hétérodynes se concentrent sur des gammes de fréquences plus étroites, en combinant la lumière entrante avec celle d’un laser dans le dispositif, puis en mesurant la différence entre les deux sources de lumière.

Les ingénieurs de Goddard ont conçu l’un de ces dispositifs, capable de s’accorder sur les fréquences THz de l’eau. Les oscillateurs et lasers existants qui génèrent des ondes THz sont des systèmes encombrants, lourds et gourmands en énergie, mais ils ont réussi à réduire leur conception à la taille d’une pièce de monnaie. Pour ce faire, l’équipe a exploité d’étranges bizarreries quantiques.

Berhanu Bulcha, ingénieur de Goddard, tient le minuscule laser à cascade quantique.

Le dispositif de l’équipe est ce que l’on appelle un laser à cascade quantique, composé d’une série de couches ultrafines de matériaux semi-conducteurs. Les photons émis pénètrent dans cette série de barrières. Comme les couches sont très fines, il y a plus de chances que les photons ignorent simplement les barrières et apparaissent de l’autre côté, dans un phénomène appelé « tunnel quantique ».

Lorsqu’un photon atteint l’autre côté, il excite d’autres photons, de sorte qu’au moment où ils traversent les 80 à 100 couches empilées dans le dispositif, le résultat final est une cascade de photons dont l’énergie est de l’ordre du THz. Un guide d’ondes et une fine antenne optique permettent de maintenir le faisceau concentré plus longtemps.

Selon l’équipe, même avec son alimentation, son processeur et son spectromètre, l’ensemble du système pourrait tenir dans un appareil de la taille d’une théière. Cela signifie qu’il est tout à fait possible que les futurs astronautes puissent utiliser une version portable pour chercher de l’eau sur la Lune, Mars ou d’autres corps.

Bien qu’il reste encore du travail à faire, les chercheurs prévoient de construire une version prête à voler pour le prochain programme Artemis de la NASA, qui prévoit le retour de l’homme sur la Lune d’ici 2024.

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/tiny-high-powered-laser-to-find-water-on-the-moon