Une équipe internationale de chercheurs a franchi une étape importante pour permettre aux physiciens de réaliser des films sur des électrons individuels. Si cette approche est couronnée de succès, elle permettra de recueillir des données d’une précision sans précédent sur la façon dont les molécules individuelles interagissent au cours des réactions chimiques, ce qui aura des répercussions non seulement sur les sciences fondamentales, mais aussi sur le génie chimique et la recherche pharmaceutique.
Les chercheurs, dont huit appartiennent au Research Laboratory of Electronics (RLE) du MIT, décrivent une technique qui devrait permettre de produire des salves de lumière laser qui ne durent que quelques attosecondes, soit des milliardièmes de milliardième de seconde. L’électron d’un atome d’hydrogène met environ 151 attosecondes à tourner autour du noyau, de sorte que pour le prendre en flagrant délit de réaction chimique, il faudrait des impulsions d’une attoseconde.
Si vous pouvez générer une impulsion de plus courte durée, vous pouvez alors étudier la dynamique qui se produit à cette échelle de temps”, explique Franz Kaertner, professeur adjoint au département de génie électrique et d’informatique qui a dirigé les travaux. Cela nous ramène aux travaux d’Harold Edgerton, professeur d’électrotechnique au MIT, qui a réussi à réaliser des photographies optiques au flash à l’échelle de la microseconde et de la nanoseconde”.
Schéma d’une nouvelle conception de laser émettant des impulsions lumineuses ultrabrèves (Shu-Wei Huang)
Des impulsions attosecondes ont déjà été démontrées en laboratoire, mais elles n’avaient pas l’intensité requise pour la spectroscopie à résolution temporelle, la technique généralement utilisée pour mesurer la dynamique des électrons. La nouvelle approche devrait non seulement augmenter l’intensité des impulsions, mais aussi nécessiter une installation plus simple, ce qui la rend plus pratique.
La clé de la production d’impulsions lumineuses ultracourtes consiste à combiner des ondes lumineuses de fréquences différentes. Une onde peut être vue comme un tilde régulier, de haut en bas, la distance entre les crêtes du tilde indiquant sa fréquence. Lorsque deux ondes se croisent, elles se renforcent mutuellement là où leurs crêtes se chevauchent, mais le creux de l’une peut annuler la crête de l’autre. La bonne combinaison d’ondes peut donc produire une nouvelle onde avec une forme radicalement différente.
D’autres chercheurs ont essayé de produire de courts éclats de lumière en combinant des faisceaux laser, mais ils ont utilisé un laser distinct pour chaque faisceau. Il est donc très difficile de synchroniser les faisceaux pour que leurs creux et leurs crêtes coïncident exactement à l’endroit prévu. Les chercheurs du RLE et leurs collègues de l’université de Sydney, du Politecnico di Milano et de l’université de Hambourg font passer un seul faisceau laser dans un cristal qui le divise en faisceaux de fréquences différentes. Comme les faisceaux proviennent d’une source unique, ils restent parfaitement synchronisés.
Bien que l’on obtienne ainsi des impulsions lumineuses très courtes, elles ne sont pas encore de l’ordre de l’attoseconde. L’étape suivante du processus consiste donc à envoyer les impulsions à travers un gaz. Lorsque les particules de lumière laser – les photons – frappent les atomes du gaz, elles sont absorbées, mais généralement, leur énergie est immédiatement réémise sous forme de nouveaux photons. Ces photons ont toutefois des fréquences qui peuvent être plusieurs fois supérieures à celles des photons d’origine. Et des fréquences plus élevées signifient des éclats de lumière encore plus courts.
Les chercheurs du RLE n’ont cependant pas encore effectué cette dernière étape. Actuellement, ils font passer leur faisceau laser par deux amplificateurs pour augmenter son énergie, mais il lui faut encore plus d’énergie pour obtenir suffisamment de photons à haute fréquence du gaz. Selon les chercheurs, l’ajout d’un autre amplificateur devrait permettre d’y parvenir, mais cela pose quelques problèmes d’ingénierie.
Ian Walmsley, professeur de physique à l’université d’Oxford et directeur du groupe d’optique quantique ultrarapide de l’université, affirme que la modularité du concept des chercheurs est l’un de ses points forts. La conception ingénieuse de Franz et de ses collaborateurs consiste à utiliser quelque chose de très simple pour que toutes ces boîtes fonctionnent de manière synchrone, comme si elles étaient prêtes à l’emploi”, explique M. Walmsley. Cette nouvelle approche est, je pense, très importante car elle permet, en principe, de générer des énergies beaucoup plus élevées dans ces impulsions très courtes.
Walmsley soupçonne cependant que l’ajout de l’étape finale dans le processus des chercheurs de la RLE “ne sera pas une question triviale d’augmenter l’énergie de l’impulsion et d’obtenir des impulsions de plus en plus courtes”. Mais, ajoute-t-il, “il y a des choses prometteuses qu’ils peuvent faire avec cela, je pense. C’est peut-être un peu difficile, mais c’est faisable”.
