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La physique à la conquête de l’infiniment bref

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La physique à la conquête de l’infiniment bref

Mise à l’honneur par le prix Nobel 2023, la physique attoseconde s’attaque à une autre dimension de l’infiniment petit : le temps. À la clé, la possibilité de visualiser et contrôler la dynamique des électrons et des réactions chimiques entre atomes.

Le 3 octobre dernier, la physicienne Anne l’Huillier donnait son cours de physique à l’université de Lund, en Suède. À la pause, elle ralluma son portable pour voir si elle avait reçu de nouveaux messages. C’est alors qu’elle apprît la nouvelle : elle venait d’obtenir le prix Nobel de physique conjointement avec le Français Pierre Agostini et l’Austro-Hongrois Ferenc Krausz. Elle était la cinquième femme à recevoir cette distinction, la seconde française après Marie Curie. Mais avant de se laisser emporter par l’émotion, Anne l’Huillier avait quelque chose à terminer : son cours. Ce qu’elle fit, en s’excusant auprès de ses étudiants de ce qu’elle terminerait un peu plus tôt que d’habitude.

Anne L’Huillier, Prix Nobel de physique 2023, pose devant son spectromètre XUV, en 1992. Ce spectromètre sous vide a permis l’observation de la génération d’harmoniques d’ordre élevé.

Avec ce Nobel, l’Académie royale des sciences de Suède récompensait les méthodes expérimentales ayant permis la production d’impulsions de lumière d’une durée de l’ordre de l’attoseconde, soit un milliardième de milliardième de seconde. Comme aiment le rappeler les chercheurs, il y a autant d’attosecondes dans une seconde que de secondes depuis le Big Bang. Ces impulsions ont ouvert un nouveau champ de recherche : pour la première fois, les scientifiques disposaient d’un outil pour explorer des phénomènes ultrarapides, et en particulier la dynamique des électrons.

« Quand vous regardez la matière, c’est le cortège électronique qui détermine la position des atomes, explique Valérie Blanchet, physicienne au Centre lasers intenses et applications (Celia). La structuration de la matière, ce sont les électrons qui la déterminent. » D’où l’immense intérêt de se focaliser sur ces minuscules particules chargées négativement. La physique attoseconde apporte la dimension « temps » aux sciences de l’infiniment petit : ce n’est pas seulement l’état initial et l’état final d’un système qu’elle permet d’observer, mais aussi la transition de l’un à l’autre. Et ce n’est pas tout : les impulsions attosecondes permettent aussi de contrôler la dynamique des électrons dans la matière. Porté pendant trente ans par un groupe réduit d’opticiens et de physiciens, le domaine « atto » intéresse désormais de nombreux autres champs scientifiques, de la chimie à la médecine en passant par la biologie. Il est d’ailleurs aujourd’huiau coeur du programme et équipements prioritaire de recherche (PEPR) exploratoire LUMA – piloté par le CNRS et le CEA – qui vise à comprendre, façonner et exploiter la lumière pour contrôler des systèmes physico-chimiques et biologiques et ouvrir la voie à de nouvelles technologies vertes. 

Mystérieuses harmonies

Tout a commencé en 1988, lorsqu’une jeune physicienne récemment embauchée par le Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA), Anne l’Huillier, braque un laser sur des atomes d’argon. L’équipe dont elle fait partie détient une réputation mondiale dans l’étude des interactions lumière-matière. Mais cette fois-ci, au lieu de regarder l’effet de la lumière sur les atomes, elle décide de regarder les photons issus de cette interaction. « C’était de la pure curiosité d’expérimentatrice. Aucun théoricien ne lui avait suggéré de regarder cela », explique Philippe Balcou, directeur de recherche au Celia, qui, un an après cette expérience, est devenu le premier étudiant en thèse d’Anne l’Huillier. La physicienne observe alors quelque chose d’inattendu : le laser induit l’émission de faisceaux de photons ultraviolets, dont les fréquences sont des multiples de celle du laser, appelées harmoniques. Mais leur présence était alors inexplicable, d’autant plus que l’intensité de ces harmoniques, au lieu de retomber rapidement, atteint un plateau qui se prolonge dans l’extrême ultraviolet et même au-delà. Anne l’Huillier décide dès lors de se consacrer à l’étude de ce phénomène. 

Cellule de gaz argon où sont générées les harmoniques d’ordre élevé sur l’installation laser femto, à l’Institut des sciences moléculaires d’Orsay.

« Au début, personne ne comprenait rien à ces harmoniques », admet Richard Taïeb, chercheur au Laboratoire de chimie physique – matière et rayonnement, qui fut l’un des premiers théoriciens à travailler avec Anne l’Huillier. Il faudra d’ailleurs attendre cinq ans pour que des chercheurs en expliquent l’origine. Lorsque les électrons sont excités par le laser et « arrachés » de l’atome (qui est ainsi ionisé), ils s’échappent de leur cœur. Mais lorsque la phase de la lumière laser s’inverse, l’électron est brusquement ramené vers le noyau atomique ionisé, et peut alors se recombiner avec ce dernier. Pour se débarrasser du surplus d’énergie qu’il a accumulé lors de son excitation par le laser, il émet un photon ultraviolet. Très vite, ces harmoniques suscitent l’intérêt des expérimentateurs et des théoriciens. « L’une des motivations pour les étudier, c’était d’avoir une source de lumière cohérente dans l’UV extrême », se souvient Richard Taieb. En effet, ces faisceaux ne partent pas dans tous les sens : ils sont émis exactement dans la direction du laser. « On avait là une sorte de synchrotron de poche », s’amuse Philippe Balcou.

Les impulsions attosecondes permettent de contrôler la dynamique des électrons dans la matière

Au milieu des années 1990, les physiciens comprennent que les harmoniques sont en phase. À intervalles réguliers, toutes les fréquences s’additionnent et forment une impulsion extrêmement brève. Il ne reste plus qu’à trouver le moyen de mesurer sa durée.

C’est Pierre Agostini, inspiré par les travaux des théoriciens Richard Taïeb, Valérie Véniard et Alfred Maquet qui détermine pour la première fois la durée d’une impulsion : 250 attosecondes. Nous sommes alors en 2001, la physique « atto » vient de naître. Les deux décennies suivantes ont vu l’apparition de lasers plus performants. « Lorsqu’on faisait les premières caractérisations des harmoniques, au début des années 1990, nous disposions d’un laser qui tirait un coup par minute, rappelle Philippe Balcou. Aujourd’hui ils tirent plus de 10 000 fois par seconde. » D’autant que l’amélioration des lasers s’est conjuguée à une meilleure maîtrise de la génération d’impulsions attosecondes. L’heure était désormais à l’exploitation de ce formidable outil.

Libérer l’électron

L’un des exploits les plus remarquables de la science attoseconde a été l’observation de l’effet photoélectrique. Décrit par Einstein en 1905, il consiste en l’éjection d’un électron au moment où un atome absorbe un photon d’une énergie particulière. En 2010, Ferenc Krausz montre que cette éjection n’est pas immédiate : l’électron met une poignée d’attosecondes à s’échapper de l’emprise du noyau atomique. Ce temps d’éjection varie aussi en fonction des caractéristiques de l’électron excité. Qu’est-ce qui retarde ces électrons ? Qu’est-ce qui distingue les différents électrons d’un atome ? Comment ceux-ci s’influencent-ils les uns les autres ? Les chercheurs ont enfin les outils expérimentaux et théoriques pour aborder ces questions. « Grâce aux impulsions attosecondes, on peut commencer à explorer les interactions entre les électrons, ce que l’on appelle aussi corrélation électronique, de façon résolue dans le temps », explique Valérie Blanchet. 

Séquence d’un film en 3D de la photoémission d’un atome d’hélium, montrant son évolution lorsqu’il cède un électron sous l’effet de la lumière. La scène dure 30 millionièmes de milliardième de seconde et a été filmée pour la première fois grâce à un laser à impulsions ultrabrèves.

Ces interactions entre électrons conditionnent les interactions des atomes entre eux, notamment lors des réactions chimiques. Celles-ci commencent toujours par un réarrangement électronique : le mouvement des noyaux ne survient que bien plus tard. « Ce qui me plaît dans la physique attoseconde, c’est qu’on se situe aux premiers instants des phénomènes », affirme Lou Barreau, chercheuse à l’Institut des sciences moléculaires d’Orsay. Lors de ses expériences, elle utilise des impulsions attosecondes pour ioniser différentes molécules. « J’essaie de comprendre l’influence du milieu sur l’éjection des électrons. Est-ce que la présence d’un groupe méthyle ou d’un cycle aromatique influence le temps d’ionisation, par exemple. »

En se plaçant en amont de la chimie, les chercheurs voudraient contrôler, grâce aux impulsions attosecondes, le déroulement des réactions chimiques. Prenons une molécule que l’on voudrait casser à un endroit bien précis afin d’obtenir un certain produit. « L’idée est d’exciter des électrons dans une molécule pour créer une onde électronique. Cette onde se propagerait le long de la molécule et affaiblirait certaines liaisons atomiques », explique Lou Barreau. Les impulsions attosecondes serviraient ainsi à « graver » sur la molécule des lignes de découpe avant la réaction chimique afin d’obtenir les produits escomptés. Cependant, beaucoup de travail sera nécessaire avant de mettre à profit ces nouvelles possibilités. « Il y a déjà des preuves de principe sur des acides aminés, mais il s’agit pour l’instant d’ions. On n’arrive pas encore à le faire sur des molécules neutres », tempère Lou Barreau.

Illustration de deux énantiomères d’un acide aminé générique chiral.

Un type de molécule bien particulier a beaucoup intéressé les chercheurs des sciences attosecondes. Il s’agit des molécules chirales. Chaque molécule chirale a deux versions, deux énantiomères, qui, comme nos deux mains, sont parfaitement identiques si ce n’est qu’elles sont l’image dans un miroir l’une de l’autre. Depuis le XIXe siècle, on sait que ces molécules énantiomères ont la propriété de modifier dans deux sens opposés la polarisation d’une lumière polarisée. C’est ce qu’on appelle l’activité optique. L’équipe HXUV du Celia a ionisé des molécules chirales et montré que le temps que mettent les électrons à s’échapper de la molécule et leur direction d’éjection dépendent du sens de polarisation de la lumière ainsi que de l’énantiomère.  

L’inexorable expansion du domaine attoseconde

L’autre intérêt de la physique attoseconde est son utilité pour d’autres disciplines. « Avec les progrès de la physique attoseconde, on peut maintenant étudier des objets plus complexes qui nous connectent à d’autres domaines », explique Franck Lépine, chercheur à l’Institut lumière matière. Parmi ces domaines, l’astrophysique. « Les molécules de milieux interstellaires réagissent aux rayonnements ionisants présents dans l’espace », précise le chercheur. Afin de mieux comprendre la relation entre la chimie interstellaire et le rayonnement ionisant, son équipe a utilisé des impulsions attosecondes dans l’extrême ultraviolet pour étudier la stabilité de molécules carbonées, prémices de l’apparition de la vie dans l’Univers.

Les méthodes attoseconde lui permettent aussi d’étudier l’ADN et les protéines. « On s’intéresse aux dommages que produisent les rayonnements énergétiques sur la matière vivante. Comprendre les premiers instants de ces processus pourrait permettre d’imaginer de nouvelles façons de nous protéger de ce rayonnement », précise Franck Lépine, qui développe en collaboration avec Ferenc Krausz une nouvelle méthode de diagnostic médical précoce. « Grâce à des impulsions attosecondes à large spectre, on peut détecter la présence infime de certaines molécules signatures de cancer dans des fluides biologiques et ainsi prédire très en amont l’apparition de la maladie », explique le physicien.

Dispositif permettant de produire des impulsions de lumière attosecondes à l’Institut lumière matière.

Les chercheurs pensent qu’il faudra encore plusieurs années avant que l’attoseconde entre dans la vie de tous les jours. « Je compare le domaine attoseconde à celui des lasers. Le concept de laser a été posé au début du XXe siècle. Il a ensuite fallu cinquante ans pour construire le premier laser, puis trente ans de plus pour qu’il révolutionne notre vie au quotidien avec la lecture de code barre, le CD ou la chirurgie laser », relève Fabrice Catoire, théoricien des cohérences à l’échelle attoseconde au Celia. Mais même si l’attoseconde tarde à entrer dans la vie quotidienne, il est fort probable qu’elle entrera rapidement dans la boîte à outils des scientifiques. « Il suffit de voir l’évolution du domaine femtoseconde ou picoseconde depuis les années 1980 et 1990, observe Franck Lépine. À partir de choses très fondamentales, on est passé à des applications dans l’industrie, la chirurgie, la spectrométrie ultrarapide. On parle de femtochimie ou femtomagnétisme. Pour l’atto, on en est aux preuves de concept, mais peu à peu on va essaimer vers d’autres domaines. » Patience donc : les avancées scientifiques ne se font pas en quelques attosecondes. ♦
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Laserix et l’exception française

La série de Nobels de physique français de ces dernières années (Gérard Mourou, Alain Aspect, Pierre Agostini, Anne L’Huillier) ne doit rien au hasard. Leur carrière se caractérise par une utilisation intensive de lasers. Or, depuis les années 1960, la France se distingue par sa grande maîtrise de cet instrument. Il existe une exception française en matière de lasers, faite de techniciens, ingénieurs et chercheurs au top, de plateformes d’excellence et d’entreprises leaders mondiales du secteur telles que Thales et Amplitude.

Laserix, la plateforme laser de l’université Paris-Saclay, fait partie de cette success story. Depuis 2003, Laserix offre aux chercheurs de diverses disciplines, sur le modèle de la résidence d’artiste, des sources lasers femtosecondes d’une exceptionnelle qualité. Sa spécialité est la génération d’impulsions dans les très courtes longueurs d’onde, l’UV extrême, et « fournit une source 10 à 100 fois plus énergétique que les sources harmoniques à ces longueurs d’onde », affirme Sophie Kazamias, directrice scientifique de la plateforme depuis 2015.

Parmi les recherches menées grâce à Laserix, il y a l’accélération laser-plasma. Cette technique permet d’accélérer des électrons, avec des champs accélérateurs 1 000 fois supérieurs à ceux des accélérateurs actuels, jusqu’à des vitesses proches de celle de la lumière. À cette vitesse, des phénomènes relativistes se manifestent, comme une augmentation notable de la masse des particules. Ce domaine est sans doute parmi les plus « chauds » de la physique. « Un jour, l’accélération laser-plasma sera l’objet d’un Nobel. Et parmi le groupe de scientifiques récompensés, il y aura sans doute un Français », prédit Sophie Kazamias. ♦

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