Le MASER à ammoniac, ancêtre du LASER et utilisé comme horloge atomique
Application-exercices 4 : le MASER à ammoniac, ancêtre du LASER et utilisé comme horloge atomique
L'émission stimulée découverte par A. Einstein en 1917 n'a pu être utilisée pour fabriquer une source d'émission électromagnétique d'une grande cohérence qu'en 1953 avec la mise au point du MASER : Microwave Amplification by Stimulated Emission Radiation. Il a été inventé par C. Townes, J. Gordon et E. Zeiger de l'université de Columbia. Il s'agissait d'un MASER à ammoniac. Il fonctionne sur le même principe que le LASER mais dans le domaine des micro-ondes et fut mis au point avant le premier LASER apparu en 1960. Les horloges atomiques embarquées dans des satellites envoyés dans l'espace fonctionnent sur le principe du MASER. Nous vous proposons 3 problèmes. Le premier permet de modéliser le moment dipolaire de la molécule en physique quantique. Dans le second, un faisceau de molécules NH3 est soumis à un champ électrique statique puis oscillant, permettant ainsi de produire une onde électromagnétique amplifiée dans le domaine centimétrique. Dans le troisième problème, ce principe est également utilisé pour fabriquer des horloges dîtes atomiques d'une précision exceptionnelle qu'on appelle horloge atomique.
On considère un faisceau de molécules. Chaque molécule peut exister dans deux configurations symétriques équivalentes correspondant à deux états possibles que l'on notera |1> et |2> entre lesquels elles oscillent spontanément à une certaine pulsation qu'on nommera . A chaque configuration est associée une orientation du moment dipolaire électrique, dans un sens pour l'état |1> et dans l'autre sens pour l'état |2>. Dans le cas de l'ammoniac NH3 on schématise ainsi les deux situations comme :
Question
1) On suppose tout d'abord que ces états symétriques diagonalisent l'hamiltonien. En vous inspirant des exercices précédents, expliquer pourquoi une telle hypothèse ne peut rendre compte de l'oscillation spontanée décrite au début de l'énoncé, par exemple en supposant qu'à t=0 la molécule est dans l'état de polarisation 1.
