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Laser à impulsions ultra-brèves : une clé du monde des réactions chimiques

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Des chercheurs anglais viennent de mettre au point une nouvelle technique pour déterminer les propriétés de la lumière à l'intérieur des impulsions ultra-brèves des lasers à infrarouge. Cela permettrait de mieux comprendre le comportement des électrons dans les molécules au cours des réactions chimiques.

Laser femtoseconde à infra-rouge de l'Université Cornell. ( Crédit Gaeta group Cornell University )

Tous les débutants en photographie le savent, lorsque vous essayez de prendre en instantané un objet en mouvement, si votre temps d'exposition n'est pas assez court, tout ce que vous obtenez est une image floue. Avec un microscope à effet de champ vous pouvez obtenir des images d'atomes relativement immobiles dans un solide, mais le rêve serait de saisir, image par image, le mouvement des atomes dans une molécule, ou mieux, carrément des électrons dans les atomes !

En fait, les physiciens le font en partie déjà depuis quelque temps, mais tout progrès dans les techniques d'observation se traduirait par une meilleure compréhension des réactions chimiques. En effet, des lasers à impulsions dit femtosecondes (10-15 s) sont d'une utilisation banale pour traquer les molécules dans ces réactions, mais le but serait d'aller vraiment au niveau des électrons à l'intérieur des atomes. On comprendrait mieux certaines réactions en biochimie par exemple, ou encore la dynamique des électrons et des trous dans les semi-conducteurs, ce qui est essentiel pour accélérer la vitesse de calcul des ordinateurs.

Les impulsions sont donc des sortes de paquets d'ondes où se trouve localisée la lumière. A l'intérieur de l'enveloppe du paquet, le champ électrique effectue quelques oscillations sinusoïdales, débutant par un maximum, un minimum ou tout autre amplitude intermédiaire. La position relative de l'onde à l'intérieur du paquet, appelée la phase de l'enveloppe porteuse (CEP Carrier-Envelope phase en anglais), peut avoir un impact significatif sur la façon dont l'impulsion interagit avec les électrons. Elle doit donc être contrôlée et mesurée précisément.

C'est ce que viennent de faire John Tisch et ses collègues de l'Imperial College en utilisant une technique permettant de convertir une impulsion de 8,5 femtosecondes dans l'infrarouge en une impulsion 10 fois plus courte dans le temps mais dans le domaine X cette fois !

On met en application des effets d'optique non-linéaire dans un gaz pour faire ce qu'on appelle de la génération de second harmonique. Ensuite, on analyse les images obtenues avec un spectromètre à l'ordinateur. Le maximum de l'enveloppe de chaque impulsion est alors déterminé avec une précision de 20 attosecondes (20 10-18 s), ce qui donne sa phase. Avant, on n'avait accès qu'à une moyenne sur les différentes impulsions. Ce résultat est d'importance car il s'agit juste de l'échelle de temps associée aux mouvements des électrons dans les réactions chimiques.

C'est un pas de plus pour comprendre et manipuler les atomes dans les réactions chimiques, les processus d'émissions de la lumière et donc une nouvelle fenêtre sur le monde de la nanotechnologie.

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