EXPÉRIENCE MARQUANTE domaines , ce qui nous permettait d ’ apprendre la physique quantique et ses implications technologiques d ’ une façon osmotique , par le contact quotidien avec les autres scientifiques . L ’ environnement exceptionnel de Bell Labs était stimulant et en même temps très exigeant vis-à-vis des jeunes chercheurs : une situation idéale pour lancer leurs carrières , les motiver et les former . À mon arrivée , j ’ ai initié l ’ activité de recherche sur les dispositifs optoélectroniques unipolaires à base de puits quantiques , des fines couches de semi-conducteur , de quelques nanomètres , prises en sandwich entre deux autres semi-conducteurs à plus large bande interdite . Ces structures créent un potentiel artificiel pour les électrons qui restent confinés dans des régions de dimension comparables à leur longueur d ’ onde , ce qui engendre la formation des niveaux discrets d ’ énergie . La première étape vers le laser à cascade quantique a été l ’ étude des propriétés linéaires et non-linéaires des transitions optiques entre les niveaux électroniques dans la bande de conduction . Ces transitions sont très différentes de celles entre les bandes de conduction et de valence , qui ont lieu dans les diodes électroluminescentes ou les lasers à semi-conducteurs . En effet , les énergies de transition entre niveaux de la bande de conduction ne dépendent pas de la bande interdite et varient donc de pratiquement zéro à une énergie comparable à celle de la profondeur du puits quantique . Ainsi , le domaine spectral de ces transitions optiques s ’ étend de la région des THz ( λ ~ 300 µ m ), jusqu ’ à l ’ infrarouge moyen ( λ ~ 3 µ m ). À la fin de cette étude , nous avions compris que les fonctions d ’ onde des électrons restent cohérentes et peuvent se délocaliser dans plusieurs puits couplés par des fines barrières tunnel . Nous avions pris conscience , grâce à la technologie des puits quantiques , qu ' il était possible de réaliser des potentiels très complexes où nous pouvions maitriser la séparation énergétique entre les états et le recouvrement des fonctions d ’ onde . Ces potentiels complexes , formés de séries de puits quantiques couplés par l ’ effet tunnel , deviendront , deux ans après , la base des régions actives des lasers à cascade quantique . Le grand tournant du projet a coïncidé avec l ’ arrivée de Jérôme Faist dans le groupe de Federico Capasso , qui avait déjà , pendant sa thèse , travaillé sur les lasers à semiconducteur . Il apportait des connaissances puissantes en optoélectronique et une intuition inégalée sur les dispositifs quantiques , deux caractéristiques qui font de lui , aujourd ’ hui , un grand scientifique reconnu mondialement . Avec sa détermination , il a su rapidement comprendre les résultats de mes recherches et des modèles que j ’ avais développés pour décrire les structures quantiques et leur interaction avec la lumière . L ’ exorde de la recherche sur la réalisation d ’ un laser unipolaire n ’ a pas été simple et a donné quelques résultats inquiétants . En particulier , l ’ étude expérimentale du temp de vie de l ’ état excité du laser donnait des valeurs de l ’ ordre de la picoseconde , en excellent accord avec la théorie de l ’ interaction phonon-électron , développée par Gerald Bastard et Robson Ferreira [ 1 ]. Le défi était là : générer de l ’ inversion de population entre deux niveaux électroniques dont l ’ état excité a un temps de vie d ’ une picoseconde ou moins . Après un moment de découragement , car nous avions réalisé que c ’ était impossible d ’ allonger le temps de vie de l ’ état excité , nous sommes repartis à l ’ attaque en cherchant une solution pour raccourcir le plus possible le temps de vie de l ’ état de basse énergie de la transition laser . La solution de notre problème fut d ’ imposer une résonance
Figure 1 . À gauche : Les auteurs de l ’ article relatant l ’ invention du laser à cascade quantique , avec la couverture de Science . De gauche à droite : Federico Capasso , Alfred Cho , Albert Hutchinson , Deborah Sivco , Jérôme Faist , Carlo Sirtori . À droite : Photo prise par F . Capasso de J . Faist et C . Sirtori dans le laboratoire après la première démonstration du laser à cascade quantique .
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