Cienciaes.com : Attosecondes et Prix Nobel de Physique 2023. Nous discutons avec Alicia Palacios.

Vous avez sûrement déjà assisté à une finale d’une course de 100 mètres. Les meilleurs athlètes parcourent la distance en 10 secondes environ, le plus rapide du monde au moment où j’écris ces lignes, Usain Bolt, l’a fait en 9,58 secondes. Dans ce type de mouvements, un centième de seconde peut faire la différence entre un coureur et un autre, il faut donc un chronomètre capable de le mesurer. Mais de quel genre de chronomètre aurions-nous besoin si le coureur était beaucoup plus rapide, s’il parcourait la même distance à la vitesse de la lumière ? Un simple calcul révèle que la lumière, avec ses près de 300 000 km/s dans le vide, parcourt 100 mètres en 333 nanosecondes, ce qui signifie que pour chronométrer cette course, nous aurions besoin d’une montre capable de mesurer des milliardièmes de seconde. Allons plus loin, au lieu de courir 100 mètres, utilisons des distances beaucoup plus courtes : la longueur d’une bactérie, la dimension d’une molécule ou la taille d’un atome, de quelles unités de mesure du temps aurions-nous besoin ? Des unités de temps de plus en plus petites seraient nécessaires : la picoseconde (un milliardième de seconde, 10^-12^s), la femtoseconde (10^-15^s) ou l’attoseconde (10^-18^s).

Parler d’attosecondes peut sembler fou, mais ce n’est pas le cas si vous souhaitez étudier les mouvements des électrons dans et entre les atomes. Bien sûr, c’est une chose de pouvoir mesurer des temps aussi courts et une autre de capturer des mouvements aussi rapides. Notre invité d’aujourd’hui s’adressant à des scientifiques, Alicia Palacioschercheur spécialisé en science attoseconde, nous aide à comprendre l’importance de ce domaine de recherche. Pour ce faire, il nous invite à réfléchir à un appareil photo. Lorsque l’on souhaite obtenir une image nette d’un coureur en pleine course, la caméra doit laisser passer la lumière à travers l’image pendant un laps de temps très court, sinon l’image sera « tremblante ». Si la photo est prise dans des conditions de faible luminosité, un flash est nécessaire, c’est-à-dire une impulsion de lumière vive et courte qui éclaire la scène et permet de capturer son reflet sur le capteur de l’appareil photo. De la même manière, nous pourrions essayer de capturer le mouvement des atomes et des molécules, mais l’échelle de temps naturelle des atomes est incroyablement courte. Dans une molécule, les atomes peuvent se déplacer et tourner en millionièmes de milliardièmes de seconde, c’est-à-dire en femtosecondes. Ces mouvements peuvent être étudiés avec les impulsions les plus courtes pouvant être produites avec un laser, mais les atomes sont gros, lourds et extrêmement lents par rapport aux électrons légers et agiles. Lorsque les électrons se déplacent dans des atomes ou des molécules, ils se déplacent si rapidement que les positions et les énergies changent à des vitesses comprises entre une et quelques centaines d’attosecondes.

Pendant longtemps, on a pensé qu’il était impossible d’obtenir des impulsions lumineuses de l’ordre d’une seconde. Le physicien Werner Heisenberg, l’un des pionniers de la mécanique quantique et père de l’un de ses principes les plus sacrés, le « principe d’incertitude », a déclaré en 1925 que le temps nécessaire à un électron pour entourer un atome d’hydrogène est impossible à observer. C’est une image démodée car les électrons n’ont pas de mouvement défini, comme les planètes autour du Soleil, c’est pourquoi les physiciens parlent de la probabilité qu’ils se trouvent à un endroit et à un moment donnés. Cependant, des observations pourraient être faites si vous disposez du bon outil. C’est cet outil qu’Anne L’Huillier, Pierre Agostini et Ferenc Krausz, lauréats du prix Nobel de physique 2023, ont contribué à découvrir.

Le chemin vers le développement d’impulsions attosecondes n’a pas été facile. Dans les années 1980, Ahmed Zewail a réussi à faire émettre à des lasers des impulsions de quelques femtosecondes et pour cela il a reçu le prix Nobel en 1999. Obtenir des impulsions plus courtes semblait impossible, mais en 1987, Anne L’Huillier a observé qu’en éclairant certains gaz, ces émettent une lumière supplémentaire à des fréquences beaucoup plus élevées que le laser d’origine. Dans les années 1990, grâce à la mécanique quantique, L’Huillier et son équipe ont découvert comment faire émettre aux atomes des rayons ultraviolets extrêmes, créant ainsi des impulsions attosecondes.

En 2001, le groupe d’Agostini a généré des trains de 250 impulsions attosecondes et la même année, le groupe de Krausz a produit des sursauts individuels de 650 attosecondes. En 2003, L’Huillier et son équipe ont atteint un pouls de seulement 170 attosecondes, battant tous les autres. La porte avait été ouverte pour observer le monde des électrons.

Alicia Palacios, qui a récemment publié un article en collaboration avec Anne L’Huillierparle aujourd’hui du prix Nobel de physique 2023 et commente lors de l’interview que la technologie attoseconde développée par les lauréats a permis d’obtenir des mesures expérimentales qui semblaient inaccessibles il y a quelques décennies à peine. Il a été possible de quantifier les différences temporelles d’émission d’électrons à partir de différents niveaux d’un même atome, de visualiser en temps réel la redistribution des charges dans les molécules biologiques ou d’accéder aux mécanismes les plus fondamentaux qui régissent la formation et la rupture des liaisons chimiques. Ces avancées ne sont que le début de tout un ensemble d’applications qui se refléteront en chimie, en biologie ou en médecine.

Nous vous invitons à écouter Alicia Palacios, professeur du Département de chimie de l’Université autonome de Madrid et présidente de la Division de physique, atomique et moléculaire, au sein de la Société européenne de physique.

Références :

S. Nandi et coll. , Synchronisation attoseconde de l’émission électronique à partir d’une résonance de forme moléculaire.Sci. Adv.6,eaba7762(2020). DOI:10.1126/sciadv.aba7762

Alicia Palacios