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Laser attoseconde : les impulsions les plus courtes du monde

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Un record en métrologie vient de tomber. Une équipe allemande de l'Institut Max Planck en coopération avec des scientifiques américains ont produit la première impulsion lumineuse au monde dont la durée est inférieure à 100 attosecondes.

Une impulsion attoseconde produite par le dispositif des chercheurs du Max-Planck Institut für Quantenoptik. Crédit : Matthias Schnürer

Une attoseconde, soit 10-18 seconde, ou un milliardième de milliardième de seconde, représente une durée si courte qu'il est difficile de se la représenter. A l'échelle atomique en revanche, elle est suffisamment longue pour que des phénomènes importants se déroulent pendant ce laps de temps. Les électrons se déplacent si vite qu'en quelques attosecondes ils passent d'un atome à un autre à l'intérieur des molécules ou dans les solides. Ces mouvements ultrarapides sont responsables d'émissions de lumière dans les domaines du visible, de l'ultraviolet et même des rayons X. Ils sont également responsables du fonctionnement des biomolécules ou de l'influx nerveux qui transporte l'information le long des nerfs. On aimerait pouvoir décrypter toute cette agitation incessante, pour progresser dans le traitement des maladies ou pour réaliser de composants électroniques plus efficaces et plus petits.

Cette avancée vers l'infiniment court passe par la production d'impulsions laser inférieures à la femtoseconde (10-15 seconde). On pourrait alors réaliser l'analogue des photographies à grande vitesse sur lesquelles les étapes des mouvements d'objets très rapides se dévoilent.

Justement, les chercheurs viennent de produire des impulsions dont la durée n'est que de 80 attosecondes environ. Ce sont encore Ferenc Krausz et ses collègues du Max-Planck Institut für Quantenoptik qui sont impliqués dans cette performance, en coopération avec des équipes de la Ludwig-Maximilians-Universität de Munich et de l'Advanced Light Source à Berkeley (Etats-Unis). Que de chemin parcouru depuis le premier laser optique !

Une pichenette sur des électrons pour produire l'impulsion

« Les électrons sont omniprésents dans les processus vitaux microscopiques comme dans la technologie. Leurs mouvements ultrarapides régissent le déroulement de tous les processus biologiques et chimiques, ainsi que la vitesse des microprocesseurs qui constitue la base des ordinateurs », rappelle Ferenc Krausz. Beaucoup de ces processus, comme le transfert d'énergie entre les électrons ou la réponse des atomes et des molécules soumis à des forces extérieures, peuvent avoir lieu en quelques attosecondes seulement. « Avec nos impulsions lumineuses, nous rendons ces phénomènes plus clairement visibles, ajoute le physicien. Grâce à la technologie attoseconde nous serons peut-être un jour capable d'observer en temps réel comment les mouvements  microscopiques des électrons dans les molécules lancent des maladies telles que par exemple, le cancer. »

Pour produire des impulsions aussi courtes, les chercheurs ont créé, avec un laser dans le domaine de l'infrarouge, un paquet d'ondes finement ajusté pour faire osciller les électrons des atomes d'un gaz rare en les ionisant presque. Les mouvements d'oscillations produit génèrent alors des impulsions dans le domaine des rayons X durant 80 attosecondes.

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