Trois chercheurs ont reçu le prix Nobel de physique 2023 pour leurs travaux révolutionnaires dans l’étude des électrons à l’aide d’éclairs lumineux d’une durée d’une attoseconde. Ces impulsions lumineuses infiniment courtes ont permis aux scientifiques d’observer des mouvements rapides d’électrons, notamment lors de processus tels que la rupture de liaisons chimiques.
Le prix Nobel de physique 2023 a récompensé trois chercheurs pour leurs travaux sur les impulsions lumineuses attosecondes, révolutionnant l’étude des mouvements rapides des électrons et élargissant les connaissances dans divers domaines de la physique et de la chimie.
Un groupe de trois chercheurs a remporté le prix Nobel de physique 2023 pour ses travaux qui ont révolutionné la façon dont les scientifiques étudient l’électron – en éclairant les molécules avec des éclairs de lumière d’une durée d’une attoseconde. Mais quelle est la durée d’une attoseconde, et que peuvent dire ces impulsions infiniment courtes aux chercheurs sur la nature de la matière ?
J’ai découvert ce domaine de recherche pour la première fois alors que j’étais étudiant diplômé en chimie physique. Le groupe de mon directeur de thèse avait un projet dédié à l’étude des réactions chimiques avec des impulsions attosecondes. Avant de comprendre pourquoi la recherche sur l’attoseconde a abouti à la récompense la plus prestigieuse en sciences, il est utile de comprendre ce qu’est une impulsion lumineuse attoseconde.
Quelle est la durée d’une attoseconde ?
« Atto » est le préfixe de la notation scientifique qui représente 10-18qui est un point décimal suivi de 17 zéros et d’un 1. Ainsi, un éclair lumineux d’une durée d’une attoseconde, soit 0,000000000000000001 de seconde, est une impulsion lumineuse extrêmement courte.
En fait, il y a approximativement autant d’attosecondes dans une seconde qu’il y a de secondes dans l’âge de l’univers.
Une attoseconde est incroyablement petite comparée à une seconde. Crédit : ©Johan Jarnestad/Académie royale des sciences de Suède
Auparavant, les scientifiques pouvaient étudier le mouvement des noyaux atomiques plus lourds et plus lents avec la femtoseconde (10-15) des impulsions lumineuses. Mille attosecondes correspondent à 1 femtoseconde. Mais les chercheurs ne pouvaient pas voir de mouvement à l’échelle électronique tant qu’ils n’étaient pas capables de générer des impulsions lumineuses attosecondes – les électrons se déplacent trop rapidement pour que les scientifiques puissent analyser exactement ce qu’ils font au niveau femtoseconde.
Impulsions attosecondes
Le réarrangement des électrons dans les atomes et les molécules guide de nombreux processus en physique et sous-tend pratiquement tous les aspects de la chimie. C’est pourquoi les chercheurs ont déployé beaucoup d’efforts pour comprendre comment les électrons se déplacent et se réorganisent.
Cependant, les électrons se déplacent très rapidement au cours des processus physiques et chimiques, ce qui les rend difficiles à étudier. Pour étudier ces processus, les scientifiques utilisent la spectroscopie, une méthode permettant d’examiner comment la matière absorbe ou émet de la lumière. Afin de suivre les électrons en temps réel, les chercheurs ont besoin d’une impulsion lumineuse plus courte que le temps nécessaire aux électrons pour se réorganiser.
La spectroscopie pompe-sonde est une technique courante en physique et en chimie et peut être réalisée avec des impulsions lumineuses attosecondes.
Par analogie, imaginez un appareil photo qui ne pourrait prendre que des expositions plus longues, d’environ 1 seconde. Les objets en mouvement, comme une personne courant vers la caméra ou un oiseau volant dans le ciel, apparaîtraient flous sur les photos prises et il serait difficile de voir exactement ce qui se passe.
Imaginez ensuite que vous utilisez un appareil photo avec une exposition de 1 milliseconde. Désormais, les mouvements précédemment masqués seraient parfaitement résolus en instantanés clairs et précis. C’est ainsi que l’utilisation de l’échelle attoseconde, plutôt que de l’échelle femtoseconde, peut éclairer le comportement des électrons.
Recherche attoseconde
Alors, à quels types de questions de recherche les impulsions attosecondes peuvent-elles aider à répondre ?
D’une part, la rupture d’une liaison chimique est un processus fondamental dans la nature dans lequel les électrons partagés entre deux atomes se séparent en atomes non liés. Les électrons précédemment partagés subissent des changements ultrarapides au cours de ce processus, et des impulsions attosecondes ont permis aux chercheurs de suivre en temps réel la rupture d’une liaison chimique.
La capacité de générer des impulsions attosecondes – recherche pour laquelle trois chercheurs ont obtenu le prix Nobel de physique 2023 – est devenue possible au début des années 2000, et ce domaine a continué de se développer rapidement depuis. En fournissant des instantanés plus courts des atomes et des molécules, la spectroscopie attoseconde a aidé les chercheurs à comprendre le comportement des électrons dans des molécules uniques, par exemple la façon dont la charge électronique migre et la façon dont les liaisons chimiques entre les atomes se rompent.
À plus grande échelle, la technologie attoseconde a également été appliquée à l’étude du comportement des électrons dans l’eau liquide ainsi qu’au transfert d’électrons dans les semi-conducteurs à l’état solide. À mesure que les chercheurs continuent d’améliorer leur capacité à produire des impulsions lumineuses attosecondes, ils acquerront une compréhension plus approfondie des particules fondamentales qui composent la matière.
Écrit par Aaron W. Harrison, professeur adjoint de chimie, Austin College.
Adapté d’un article initialement publié dans The Conversation.
