Lors d'une annonce capitale dans la soirée du 3 octobre 2023, le prix Nobel de physique pour l'année 2023 a été dévoilé, reconnaissant les contributions exceptionnelles de trois scientifiques qui ont joué un rôle central en tant que pionniers dans le domaine de la technologie des lasers attosecondes.

Le terme « laser attoseconde » tire son nom de l'échelle de temps incroyablement brève sur laquelle il fonctionne, spécifiquement de l'ordre des attosecondes, correspondant à 10^-18 secondes. Pour saisir la signification profonde de cette technologie, une compréhension fondamentale de ce que signifie une attoseconde est primordiale. Une attoseconde est une unité de temps extrêmement infime, constituant un milliardième de milliardième de seconde dans le contexte plus large d'une seule seconde. Pour mettre cela en perspective, si nous devions comparer une seconde à une montagne imposante, une attoseconde s'apparenterait à un seul grain de sable niché au pied de la montagne. Dans cet intervalle temporel éphémère, même la lumière peut à peine parcourir une distance équivalente à la taille d’un atome individuel. Grâce à l’utilisation de lasers attosecondes, les scientifiques acquièrent la capacité sans précédent d’examiner et de manipuler la dynamique complexe des électrons au sein des structures atomiques, semblable à une rediffusion au ralenti image par image dans une séquence cinématographique, plongeant ainsi dans leur interaction.

Lasers attosecondesreprésentent l’aboutissement de recherches approfondies et d’efforts concertés de la part de scientifiques qui ont exploité les principes de l’optique non linéaire pour fabriquer des lasers ultrarapides. Leur apparition nous a fourni un point d’observation innovant pour l’observation et l’exploration des processus dynamiques qui se déroulent au sein des atomes, des molécules et même des électrons dans les matériaux solides.

Pour élucider la nature des lasers attosecondes et apprécier leurs attributs non conventionnels par rapport aux lasers conventionnels, il est impératif d'explorer leur catégorisation au sein de la « famille des lasers » plus large. La classification par longueur d'onde place les lasers attosecondes principalement dans la gamme des fréquences ultraviolettes à rayons X doux, ce qui signifie leurs longueurs d'onde nettement plus courtes contrairement aux lasers conventionnels. En termes de modes de sortie, les lasers attosecondes appartiennent à la catégorie des lasers pulsés, caractérisés par leurs durées d'impulsion extrêmement brèves. Pour faire une analogie par souci de clarté, on peut considérer les lasers à ondes continues comme une lampe de poche émettant un faisceau de lumière continu, tandis que les lasers pulsés ressemblent à une lumière stroboscopique, alternant rapidement entre des périodes d'éclairage et d'obscurité. Essentiellement, les lasers attosecondes présentent un comportement pulsé dans l’éclairage et l’obscurité, mais leur transition entre les deux états se produit à une fréquence étonnante, atteignant le domaine des attosecondes.

Une catégorisation plus poussée par puissance place les lasers dans des tranches de faible puissance, moyenne puissance et haute puissance. Les lasers attosecondes atteignent une puissance de crête élevée en raison de leurs durées d'impulsion extrêmement courtes, ce qui se traduit par une puissance de crête (P) prononcée – définie comme l'intensité de l'énergie par unité de temps (P=W/t). Bien que les impulsions laser attosecondes individuelles ne possèdent pas une énergie (W) exceptionnellement grande, leur étendue temporelle abrégée (t) leur confère une puissance de crête élevée.

En termes de domaines d'application, les lasers couvrent un spectre englobant des applications industrielles, médicales et scientifiques. Les lasers attosecondes trouvent principalement leur place dans le domaine de la recherche scientifique, en particulier dans l'exploration de phénomènes en évolution rapide dans les domaines de la physique et de la chimie, offrant ainsi une fenêtre sur les processus dynamiques rapides du monde microcosmique.

La catégorisation par support laser délimite les lasers en lasers à gaz, lasers à solide, lasers liquides et lasers à semi-conducteurs. La génération de lasers attosecondes repose généralement sur des supports laser à gaz, capitalisant sur des effets optiques non linéaires pour générer des harmoniques d'ordre élevé.

En résumé, les lasers attosecondes constituent une classe unique de lasers à impulsions courtes, qui se distinguent par leurs durées d'impulsion extraordinairement brèves, généralement mesurées en attosecondes. En conséquence, ils sont devenus des outils indispensables pour observer et contrôler les processus dynamiques ultrarapides des électrons au sein des atomes, des molécules et des matériaux solides.

Le processus élaboré de génération de laser attoseconde

La technologie laser attoseconde est à la pointe de l’innovation scientifique, bénéficiant d’un ensemble de conditions étonnamment rigoureuses pour sa génération. Pour élucider les subtilités de la génération de laser attoseconde, nous commençons par une exposition concise de ses principes sous-jacents, suivie de métaphores vivantes dérivées d'expériences quotidiennes. Les lecteurs non familiarisés avec les subtilités de la physique pertinente ne doivent pas désespérer, car les métaphores qui suivent visent à rendre accessible la physique fondamentale des lasers attosecondes.

Le processus de génération des lasers attoseconde repose principalement sur la technique connue sous le nom de génération d'harmoniques élevés (HHG). Premièrement, un faisceau d’impulsions laser femtoseconde de haute intensité (10^-15 secondes) est étroitement focalisé sur un matériau cible gazeux. Il convient de noter que les lasers femtosecondes, semblables aux lasers attosecondes, partagent les caractéristiques de posséder des durées d'impulsion courtes et une puissance de crête élevée. Sous l’influence du champ laser intense, les électrons contenus dans les atomes de gaz sont momentanément libérés de leurs noyaux atomiques et entrent transitoirement dans un état d’électrons libres. Lorsque ces électrons oscillent en réponse au champ laser, ils finissent par revenir et se recombinent avec leurs noyaux atomiques parents, créant ainsi de nouveaux états de haute énergie.

Au cours de ce processus, les électrons se déplacent à des vitesses extrêmement élevées et, lors de leur recombinaison avec les noyaux atomiques, ils libèrent de l'énergie supplémentaire sous la forme d'émissions harmoniques élevées, se manifestant sous forme de photons de haute énergie.

Les fréquences de ces photons de haute énergie nouvellement générés sont des multiples entiers de la fréquence laser d'origine, formant ce que l'on appelle des harmoniques d'ordre élevé, où « harmoniques » désigne des fréquences qui sont des multiples entiers de la fréquence d'origine. Pour obtenir des lasers attosecondes, il devient nécessaire de filtrer et de focaliser ces harmoniques d'ordre élevé, en sélectionnant des harmoniques spécifiques et en les concentrant en un point focal. Si vous le souhaitez, les techniques de compression d'impulsions peuvent encore réduire la durée de l'impulsion, produisant des impulsions ultra-courtes de l'ordre de l'attoseconde. Évidemment, la génération de lasers attosecondes constitue un processus sophistiqué et multiforme, exigeant un haut degré de prouesse technique et des équipements spécialisés.

Pour démystifier ce processus complexe, nous proposons un parallèle métaphorique fondé sur des scénarios quotidiens :

Impulsions laser femtoseconde de haute intensité :

Imaginez posséder une catapulte exceptionnellement puissante, capable de lancer instantanément des pierres à des vitesses colossales, semblable au rôle joué par les impulsions laser femtoseconde de haute intensité.

Matériau cible gazeux :

Imaginez une étendue d’eau tranquille qui symbolise le matériau gazeux cible, où chaque gouttelette d’eau représente une myriade d’atomes de gaz. L’acte de propulser des pierres dans cette étendue d’eau reflète de manière analogue l’impact des impulsions laser femtoseconde de haute intensité sur le matériau gazeux cible.

Mouvement et recombinaison des électrons (transition physiquement appelée) :

Lorsque des impulsions laser femtoseconde impactent les atomes de gaz contenus dans le matériau gazeux cible, un nombre important d'électrons externes sont momentanément excités jusqu'à un état dans lequel ils se détachent de leurs noyaux atomiques respectifs, formant ainsi un état semblable à un plasma. À mesure que l'énergie du système diminue (puisque les impulsions laser sont intrinsèquement pulsées, avec des intervalles d'arrêt), ces électrons externes retournent à proximité des noyaux atomiques, libérant des photons de haute énergie.

Génération d'harmoniques élevées :

Imaginez que chaque fois qu'une gouttelette d'eau retombe à la surface du lac, elle crée des ondulations, un peu comme les harmoniques élevées des lasers attosecondes. Ces ondulations ont des fréquences et des amplitudes plus élevées que les ondulations originales provoquées par l’impulsion laser femtoseconde primaire. Au cours du processus HHG, un puissant faisceau laser, semblable à un lancer continu de pierres, illumine une cible de gaz ressemblant à la surface du lac. Ce champ laser intense propulse les électrons dans le gaz, de manière analogue à des ondulations, loin de leurs atomes parents, puis les retire. Chaque fois qu’un électron revient vers l’atome, il émet un nouveau faisceau laser avec une fréquence plus élevée, semblable à des motifs d’ondulation plus complexes.

Filtrage et mise au point :

La combinaison de tous ces faisceaux laser nouvellement générés donne un spectre de différentes couleurs (fréquences ou longueurs d'onde), dont certaines constituent le laser attoseconde. Pour isoler des tailles et des fréquences d'ondulation spécifiques, vous pouvez utiliser un filtre spécialisé, semblable à la sélection des ondulations souhaitées, et utiliser une loupe pour les concentrer sur une zone spécifique.

Compression d'impulsion (si nécessaire) :

Si vous souhaitez propager des ondulations plus rapides et plus courtes, vous pouvez accélérer leur propagation à l'aide d'un appareil spécialisé, réduisant ainsi la durée de chaque ondulation. La génération de lasers attosecondes implique une interaction complexe de processus. Cependant, une fois décomposé et visualisé, il devient plus compréhensible.