Monde de la physique : physique attoseconde

Grâce à des impulsions lumineuses qui durent moins d’un quadrillionième de seconde, le mouvement des électrons dans les atomes, les molécules et les solides peut être suivi en temps réel. Les processus de mécanique quantique peuvent ainsi être directement observés.

Afin d’observer des processus dans la nature, la résolution temporelle de l’instrument d’observation doit être plus courte que la durée du processus. Ce principe est illustré par un exemple historique des années 1870 : on a demandé au photographe Eadweard Muybridge d’utiliser son appareil photo pour déterminer s’il y avait un moment où un cheval galopait lorsque ses quatre sabots étaient en l’air. Il n’est pas possible de répondre à cette question simplement en regardant : la résolution temporelle de l’œil humain n’est tout simplement pas suffisante pour cette tâche.

Muybridge a développé un système sophistiqué de plusieurs caméras et a ainsi pu raccourcir suffisamment la résolution temporelle. Résultat : pendant un bref instant, pas un seul sabot ne touche le sol. Depuis lors, les enregistrements à grande vitesse ont fourni bien plus d’informations sur des processus auparavant cachés. Mais lorsqu’il s’agit des processus ultrarapides dans le monde microscopique des atomes et des particules élémentaires, les physiciens sont depuis longtemps confrontés à un problème similaire à celui de Muybridge.

Afin de suivre le mouvement des électrons dans les atomes, les instantanés individuels doivent se suivre incroyablement rapidement, à savoir de l’ordre de l’attoseconde. Une attoseconde est à une seconde ce qu’une seconde est à l’âge de l’univers. Après tout, cela date de près de quatorze milliards d’années. Pendant longtemps, on a cru qu’il était impossible de générer des impulsions lumineuses aussi courtes. Mais au début des années 2000, l’avancée vers l’attoseconde est enfin réalisée.

Grâce à des flashs laser ultra-courts, il a été possible, par exemple, d’observer l’oscillation de la lumière visible ou d’étudier le comportement des électrons, notamment la manière dont les particules subatomiques « tunnelisent ». Dans ce processus de mécanique quantique, les électrons peuvent surmonter une barrière énergétique qu’ils ne pourraient pas franchir selon les lois de la physique classique. Les possibilités ouvertes par cette recherche fondamentale sont diverses. Un exemple est celui des cellules solaires optimisées, mais des composants électroniques plus rapides et plus efficaces seraient également envisageables. Les impulsions attosecondes sont désormais également utilisées dans le diagnostic médical, par exemple pour identifier des molécules spécifiques dans le sang.

Le domaine de la recherche s’est considérablement développé au cours des dernières décennies. Aujourd’hui, des impulsions lumineuses d’une durée de seulement cinquante attosecondes peuvent être générées. En 2023, Pierre Agostini, Ferenc Krausz et Anne L’Huillier ont reçu le prix Nobel pour leurs travaux novateurs sur la physique de l’attoseconde.