Townes, Charles Hard

Townes, Charles Hard (1915- ), physicien américain, célèbre pour la mise au point d'un système de bombardement par radar pendant la Seconde Guerre mondiale ; il est également connu comme l’un des pères des technologies maser et laser, pour lesquelles il a obtenu le prix Nobel de physique en 1964.

Né à Greenville, en Caroline du Sud, Charles Hard Townes fait ses études à l'université Furman de sa ville natale, puis à Duke et au California Institute of Technology (Caltech) où il termine son doctorat de physique en 1939.

Pendant la Seconde Guerre mondiale, et jusqu’en 1947, il travaille comme chercheur au laboratoire de la Bell Telephone Company, où il conçoit des systèmes de bombardement par radar et des appareils de navigation. À la fin de la guerre, il est le premier à se pencher sur les ondes micrométriques des spectres gazeux (voir spectroscopie). En 1948, il rejoint Isidor Isaac Rabi à l'université Colombia (New York), où, parallèlement à son travail d’enseignant, il développe ses recherches spectroscopiques sur les micro-ondes ce qui le mène à conceptualiser un appareil qui pourrait produire des micro-ondes de grande intensité : le maser.

En 1961, il devient directeur scientifique du Massachusetts Institute of Technology (MIT), puis en 1967, il part enseigner à la prestigieuse université de Berkeley (Californie), où il termine sa carrière professionnelle.

C’est en 1951 que Townes a l’idée d'utiliser des molécules d'ammoniac excitées (électriquement ou thermiquement) comme source de micro-ondes. En les exposant à un faible rayonnement de micro-ondes de la même fréquence, les molécules d’ammoniac excitées seraient poussées dans une sorte de réaction en chaîne à émettre leur propre rayonnement de micro-ondes : c’est ce processus d’émission stimulée (ou induite) de radiations qui sera à l’origine du maser (acronyme de Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation) et du laser (acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation). En décembre 1953, Townes et ses collègues, en particulier son beau-frère Arthur Schawlow, réalisent le premier maser à gaz, en utilisant des molécules gazeuses d’ammoniac. Par la suite, Townes développe également des masers à solide.

Mais le réel défi réside dans la réalisation de masers optique et infrarouge, autrement dit de lasers. En 1958, Townes et Schawlow écrivent une publication commune — qui donne lieu à un brevet —, dans laquelle ils exposent la théorie du principe de fonctionnement du laser. Mais c’est leur compatriote Theodore Maiman qui parvient le premier à produire une émission laser en 1960.

Pour sa contribution au développement de l'électronique quantique et surtout à la mise au point du maser et du laser, Townes reçoit en 1964 le prix Nobel de physique, qu’il partage avec les Russes Nikolaï Bassov et Aleksandr Prokhorov.

Par la suite, Townes applique ses résultats de physique du solide à l’astronomie et se consacre à l’interférométrie, technique de mesure très fine fondée sur les phénomènes d’interférence, utilisée notamment en radioastronomie. En 1968, il découvre avec ses collaborateurs les premières molécules dans l'espace interstellaire : l’ammoniac et l’eau. Son livre Microwave Spectroscopy, édité en 1955 en collaboration avec Schawlow, constitue un ouvrage de référence en spectroscopie moléculaire radioastronomique. Professeur émérite et visionnaire, Townes est l’une des figures majeures de la physique du XX^e siècle.