Les impulsions lumineuses attosecondes aident les chercheurs à comprendre le mouvement des électrons. Crédit : Greg Stewart/Laboratoire national des accélérateurs du SLAC
Le prix Nobel de physique 2023 récompense la visualisation des mouvements ultrarapides des électrons à l’aide d’impulsions laser. Cette recherche à l’échelle attoseconde présente un vaste potentiel, qu’il s’agisse d’influencer les réactions chimiques ou de faire progresser les technologies électroniques.
Les électrons se déplaçant dans une molécule ne semblent peut-être pas être l’intrigue d’un film intéressant. Mais un groupe de scientifiques recevra le prix Nobel de physique 2023 pour des recherches qui suivent essentiellement le mouvement des électrons à l’aide d’impulsions laser ultrarapides, comme la capture d’images dans une caméra vidéo.
Cependant, les électrons, qui constituent en partie les atomes et forment la colle qui lie les atomes des molécules entre eux, ne se déplacent pas sur la même échelle de temps que les humains. Ils sont beaucoup plus rapides. Ainsi, les outils que les physiciens comme moi utilisent pour capturer leur mouvement doivent être très rapides – à l’échelle de l’attoseconde.
Une attoseconde équivaut à un milliardième de milliardième de seconde (10-18 seconde) – le rapport d’une attoseconde à une seconde est le même que le rapport d’une seconde à l’âge de l’univers.
Impulsions attosecondes
Pour des images claires d’objets en mouvement rapide en photographie, un appareil photo doté d’un obturateur rapide ou d’une lumière stroboscopique rapide pour éclairer l’objet est nécessaire. En prenant plusieurs photos en succession rapide, le mouvement de l’objet peut être clairement résolu.
L’échelle de temps de l’obturateur ou du stroboscope doit correspondre à l’échelle de temps du mouvement de l’objet – sinon, l’image sera floue. Cette même idée s’applique lorsque les chercheurs tentent d’imager le mouvement ultrarapide des électrons. La capture d’un mouvement à l’échelle attoseconde nécessite un stroboscope attoseconde. Les lauréats du prix Nobel de physique 2023 ont apporté des contributions fondamentales à la génération de tels flashs laser attosecondes, qui sont des impulsions très courtes générées à l’aide d’un laser puissant.
Imaginez les électrons dans un atome sont contraints à l’intérieur de l’atome par un mur. Lorsqu’une femtoseconde (10-15 Deuxièmement, l’impulsion laser d’un laser femtoseconde de haute puissance est dirigée vers des atomes d’un gaz rare tel que l’argon, le fort champ électrique de l’impulsion abaisse la paroi.
Cela est possible car le champ électrique du laser est comparable en intensité au champ électrique du noyau de l’atome. Les électrons voient ce mur abaissé et le traversent selon un processus étrange appelé tunnel quantique.
Dès que les électrons quittent l’atome, le champ électrique du laser les capture, les accélère à des énergies élevées et les renvoie dans leurs atomes parents. Ce processus de récollision aboutit à la création d’éclats attosecondes de lumière laser.
Films Attoseconde
Alors, comment les physiciens utilisent-ils ces impulsions ultracourtes pour réaliser des films d’électrons à l’échelle attoseconde ?
Les films conventionnels sont réalisés scène par scène, chaque instant étant capturé sous forme d’image par des caméras vidéo. Les scènes sont ensuite assemblées pour former le film complet.
Les films attosecondes d’électrons utilisent une idée similaire. Les impulsions attosecondes agissent comme des stroboscopes, éclairant les électrons afin que les chercheurs puissent capturer leur image, encore et encore, à mesure qu’ils se déplacent, comme une scène de film. Cette technique est appelée spectroscopie pompe-sonde.
Cependant, l’imagerie du mouvement des électrons directement à l’intérieur des atomes est actuellement un défi, bien que les chercheurs développent plusieurs approches utilisant des microscopes avancés pour rendre possible l’imagerie directe.
Généralement, en spectroscopie pompe-sonde, une impulsion de « pompe » fait bouger l’électron et démarre le film. Une impulsion « sonde » éclaire ensuite l’électron à différents moments après l’arrivée de l’impulsion de pompe, afin qu’il puisse être capturé par la « caméra », comme un spectromètre photoélectronique.
Les informations sur le mouvement des électrons, ou « l’image », sont capturées à l’aide de techniques sophistiquées. Par exemple, un spectromètre photoélectronique détecte combien d’électrons ont été retirés de l’atome par l’impulsion de la sonde, ou un spectromètre de photons mesure la quantité d’impulsion de la sonde absorbée par l’atome.
Les différentes « scènes » sont ensuite assemblées pour créer des films attosecondes d’électrons. Ces films contribuent à fournir des informations fondamentales, à l’aide de modèles théoriques sophistiqués, sur le comportement électronique attoseconde.
Par exemple, les chercheurs ont mesuré où se situe la charge électrique dans des molécules organiques à différents moments, sur des échelles de temps attosecondes. Cela pourrait leur permettre de contrôler les courants électriques à l’échelle moléculaire.
Applications futures
Dans la plupart des recherches scientifiques, la compréhension fondamentale d’un processus conduit au contrôle du processus, et ce contrôle conduit à de nouvelles technologies. La recherche fondée sur la curiosité peut conduire à des applications inimaginables à l’avenir, et la science attoseconde n’est probablement pas différente.
Comprendre et contrôler le comportement des électrons à l’échelle attoseconde pourrait permettre aux chercheurs d’utiliser des lasers pour contrôler des réactions chimiques qu’ils ne peuvent pas contrôler par d’autres moyens. Cette capacité pourrait aider à concevoir de nouvelles molécules qui ne peuvent pas être créées avec les techniques chimiques existantes.
La capacité de modifier le comportement des électrons pourrait conduire à des commutations ultrarapides. Les chercheurs pourraient potentiellement convertir un isolant électrique en conducteur à l’échelle attoseconde pour augmenter la vitesse de l’électronique. L’électronique traite actuellement les informations à l’échelle de la picoseconde, soit 10-12 d’une seconde.
La courte longueur d’onde des impulsions attosecondes, qui se situe généralement dans le régime ultraviolet extrême, ou EUV, pourrait voir des applications en lithographie EUV dans l’industrie des semi-conducteurs. La lithographie EUV utilise une lumière laser à très courte longueur d’onde pour graver de minuscules circuits sur des puces électroniques.
Dans un passé récent, les lasers à électrons libres tels que la source de lumière cohérente Linac du laboratoire national des accélérateurs du SLAC aux États-Unis sont devenus une source de lumière laser à rayons X brillante. Ceux-ci génèrent désormais des impulsions à l’échelle attoseconde, ouvrant de nombreuses possibilités de recherche utilisant les rayons X attosecondes.
Idées pour générer des impulsions laser sur la zeptoseconde (10-21 deuxième) échelle ont également été proposées. Les scientifiques pourraient utiliser ces impulsions, qui sont encore plus rapides que les impulsions attosecondes, pour étudier le mouvement de particules comme les protons dans le noyau.
Avec de nombreux groupes de recherche travaillant activement sur des problèmes passionnants dans la science de l’attoseconde et avec le prix Nobel de physique 2023 reconnaissant son importance, la science de l’attoseconde a un avenir long et brillant.
Écrit par Niranjan Shivaram, professeur adjoint de physique et d’astronomie, Université Purdue.
Adapté d’un article initialement publié dans The Conversation.
