Autres applications techniques du pompage optique
p. 44-46
Texte intégral
La construction de magnétomètres
1Des magnétomètres très précis, en champ magnétique faible, utilisant le pompage optique, sont couramment utilisés en géophysique. Installés au fond des mers, ils peuvent aussi détecter le passage des navires dont la carcasse métallique modifie le champ magnétique local.
La construction de standards de fréquence ou horloges atomiques
2Grâce au pompage optique d’une vapeur, on peut asservir un générateur d’hyperfréquence (ondes de radar, par exemple) à rester exactement accordé avec une transition hyperfine entre deux sous-niveaux hyperfins de l’état fondamental, qui sont indépendants du champ magnétique. La fréquence de ce générateur est alors parfaitement fixée avec une incertitude relative inférieure à 10–10. En comptant le nombre de périodes de ce générateur, on peut l’utiliser pour construire une horloge atomique. Une telle horloge se dérègle de moins d’une seconde au cours d’un siècle de fonctionnement.
3À la demande de la direction du CNRS, Kastler assurera pendant plusieurs années la direction du nouveau Laboratoire de l’horloge atomique basé à la fois à Besançon et en région parisienne.
L’hélium pompé optiquement pour l’imagerie médicale
4Il s’agit d’une application récente dans le domaine de la santé. L’atome d’hélium (He) dans son état fondamental comporte deux électrons symétriques dont le moment résultant est nul ; et son moment cinétique ou magnétique se réduit à celui de son noyau. Le composant principal du gaz hélium est l’isotope de masse 4 dont le noyau ne possède ni moment cinétique ni moment magnétique. Mais il existe en quantité suffisante un autre isotope de masse 3 dont le noyau possède des moments cinétique et magnétique. On sait orienter ou « polariser », par pompage optique, les noyaux 3He de cet isotope. L’expérience montre que cette orientation, ou polarisation, est très résistante aux perturbations extérieures et peut être conservée longtemps (le temps de relaxation pouvant couramment atteindre plusieurs heures).
5Quand on fait respirer à un individu un mélange d’oxygène et d’hélium 3 polarisé, les noyaux 3He restent polarisés à l’intérieur des poumons. Et on peut produire à l’intérieur de ceux-ci des transitions de résonance magnétique entre les deux orientations de ce noyau.
6On peut ainsi généraliser avec les noyaux 3He la technique d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM), fonctionnant habituellement avec les noyaux d’hydrogène (ou protons) de l’eau qui constitue la majeure partie du corps humain. La figure 14 montre à droite une image de poumons humains obtenue par cette nouvelle technique d’IRM. Le gaz hélium, confiné dans les alvéoles pulmonaires, met bien en évidence leur forme, qui permet un diagnostic complémentaire à celui des radiographies classiques. On remarque également la trachée pleine d’hélium par laquelle celui-ci a été inspiré. La figure 14 montre (à gauche pour comparaison) un cliché d’IRM classique dans les conditions normales (sur les noyaux d’hydrogène ou protons) : les poumons apparaissent complètement noirs puisque leur volume est plein d’air et ne contient pas d’hydrogène. On remarquera aussi la trace noire verticale de la trachée.
Figure 14 – IRM des poumons avec de l’hélium polarisé par pompage optique sur un volontaire humain en bonne santé (à droite). Pour comparaison (à gauche) IRM standard avec les protons de l’eau.

Les développements scientifiques ultérieurs
7Nous ne les aborderons pas ici. Mais les physiciens qui souhaiteraient une description plus détaillée des avancées de la physique atomique (avec les ondes radios ou lumineuses) dans la foulée du pompage optique pourront trouver des informations dans le récent ouvrage de Claude Cohen-Tannoudji et David Guéry-Odelin, Advances in Atomic Physics (World-Scientific Publishing, 2011), dont la traduction française est en préparation.
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