Lors d'une annonce historique faite le soir du 3 octobre 2023, le prix Nobel de physique de l'année 2023 a été dévoilé, récompensant les contributions exceptionnelles de trois scientifiques qui ont joué un rôle déterminant en tant que pionniers dans le domaine de la technologie laser attoseconde.

Le terme « laser attoseconde » tire son nom de l'échelle de temps incroyablement brève sur laquelle il opère, précisément de l'ordre de l'attoseconde, soit 10⁻¹⁸ seconde. Pour saisir toute la portée de cette technologie, il est essentiel de comprendre ce qu'est une attoseconde. Une attoseconde est une unité de temps extrêmement petite, représentant un milliardième de milliardième de seconde au sein d'une seconde. Pour mieux comprendre, si l'on comparait une seconde à une montagne immense, une attoseconde serait comme un grain de sable à son pied. Dans cet intervalle temporel fugace, même la lumière peut à peine parcourir une distance équivalente à la taille d'un atome. Grâce aux lasers attosecondes, les scientifiques acquièrent la capacité inédite d'observer et de manipuler la dynamique complexe des électrons au sein des structures atomiques, à la manière d'un ralenti image par image dans une séquence cinématographique, et ainsi d'explorer leurs interactions.

Lasers attosecondesCes lasers représentent l'aboutissement de recherches approfondies et d'efforts concertés de scientifiques qui ont exploité les principes de l'optique non linéaire pour concevoir des lasers ultrarapides. Leur apparition nous offre un point de vue inédit pour l'observation et l'étude des processus dynamiques qui se déroulent au sein des atomes, des molécules et même des électrons dans les matériaux solides.

Pour comprendre la nature des lasers attosecondes et apprécier leurs propriétés atypiques par rapport aux lasers conventionnels, il est essentiel d'examiner leur classification au sein de la famille plus large des lasers. Classés selon leur longueur d'onde, les lasers attosecondes se situent principalement dans la gamme des fréquences allant de l'ultraviolet aux rayons X mous, ce qui explique leurs longueurs d'onde nettement plus courtes que celles des lasers conventionnels. En termes de modes de fonctionnement, les lasers attosecondes appartiennent à la catégorie des lasers pulsés, caractérisés par des impulsions extrêmement brèves. Pour mieux comprendre, on peut comparer les lasers à onde continue à une lampe torche émettant un faisceau lumineux continu, tandis que les lasers pulsés ressemblent à un stroboscope, alternant rapidement entre des périodes d'illumination et d'obscurité. En résumé, les lasers attosecondes présentent un comportement pulsé entre l'illumination et l'obscurité, mais la transition entre ces deux états s'effectue à une fréquence étonnante, de l'ordre de l'attoseconde.

Une classification plus poussée selon la puissance permet de répartir les lasers en trois catégories : faible puissance, puissance moyenne et haute puissance. Les lasers attosecondes atteignent une puissance de crête élevée grâce à leurs impulsions extrêmement courtes, ce qui se traduit par une puissance de crête (P) prononcée – définie comme l’intensité énergétique par unité de temps (P = W/t). Bien que les impulsions laser attosecondes individuelles ne possèdent pas une énergie exceptionnellement élevée (W), leur durée temporelle très courte (t) leur confère une puissance de crête élevée.

En termes de domaines d'application, les lasers couvrent un large éventail d'applications industrielles, médicales et scientifiques. Les lasers attosecondes trouvent principalement leur place dans la recherche scientifique, notamment pour l'étude des phénomènes à évolution rapide en physique et en chimie, offrant ainsi un aperçu des processus dynamiques rapides du monde microcosmique.

La classification des lasers selon leur milieu réactionnel distingue les lasers à gaz, les lasers à semi-conducteurs, les lasers à liquide et les lasers à semi-conducteurs. La génération de lasers attosecondes repose généralement sur l'utilisation de milieux réactionnels à gaz, exploitant les effets optiques non linéaires pour produire des harmoniques d'ordre élevé.

En résumé, les lasers attosecondes constituent une classe unique de lasers à impulsions courtes, caractérisée par des durées d'impulsion extrêmement brèves, généralement mesurées en attosecondes. De ce fait, 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 complexe de génération de lasers attosecondes

La technologie laser attoseconde se situe à la pointe de l'innovation scientifique, grâce à des conditions de génération d'une rigueur fascinante. Pour éclairer les subtilités de la génération laser attoseconde, nous commencerons par un exposé concis de ses principes fondamentaux, suivi de métaphores parlantes issues du quotidien. Les lecteurs non initiés aux subtilités de la physique sous-jacente peuvent être rassurés : les métaphores qui suivent visent à rendre les principes physiques fondamentaux des lasers attoseconde accessibles à tous.

Le processus de génération des lasers attosecondes repose principalement sur la technique de génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG). Un faisceau d'impulsions laser femtosecondes (10⁻¹⁵ secondes) de haute intensité est focalisé avec précision sur une cible gazeuse. Il est important de noter que les lasers femtosecondes, tout comme les lasers attosecondes, se caractérisent par des impulsions de courte durée et une puissance de crête élevée. Sous l'influence du champ laser intense, les électrons des atomes de gaz sont momentanément libérés de leurs noyaux atomiques et passent transitoirement à l'état d'électrons libres. Ces électrons, oscillant sous l'effet du champ laser, finissent par retourner à leurs noyaux atomiques et s'y recombiner, créant ainsi de nouveaux états d'énergie élevés.

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 forme d'émissions harmoniques élevées, se manifestant par des photons de haute énergie.

Les fréquences de ces photons de haute énergie nouvellement générés sont des multiples entiers de la fréquence laser initiale, formant ce que l'on appelle des harmoniques d'ordre élevé, où « harmoniques » désigne des fréquences multiples entiers de la fréquence initiale. Pour obtenir des lasers attosecondes, il est 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 besoin, des techniques de compression d'impulsions permettent de réduire davantage la durée de l'impulsion, produisant ainsi des impulsions ultracourtes de l'ordre de l'attoseconde. De toute évidence, la génération de lasers attosecondes constitue un processus complexe et multifacettes, exigeant une grande expertise technique et un équipement spécialisé.

Pour démystifier ce processus complexe, nous proposons un parallèle métaphorique ancré dans des situations du quotidien :

Impulsions laser femtoseconde de haute intensité :

Imaginez posséder une catapulte exceptionnellement puissante, capable de projeter instantanément des pierres à des vitesses colossales, à l'instar des impulsions laser femtoseconde de haute intensité.

Matériau cible gazeux :

Imaginez une étendue d'eau paisible symbolisant le matériau gazeux cible, où chaque goutte d'eau représente une myriade d'atomes de gaz. Le fait de projeter des pierres dans cette étendue d'eau reproduit, de manière analogue, l'impact des impulsions laser femtoseconde de haute intensité sur le matériau gazeux cible.

Mouvement et recombinaison des électrons (transition physique) :

Lorsque des impulsions laser femtosecondes frappent les atomes de gaz d'une cible gazeuse, un nombre significatif d'électrons externes sont momentanément excités et se détachent de leurs noyaux atomiques respectifs, formant un état semblable à un plasma. À mesure que l'énergie du système diminue (les impulsions laser étant intrinsèquement pulsées et comportant des intervalles d'arrêt), ces électrons externes retournent à proximité des noyaux atomiques, libérant des photons de haute énergie.

Génération d'harmoniques élevées :

Imaginez qu'à chaque fois qu'une goutte d'eau retombe à la surface du lac, elle crée des ondulations, semblables aux harmoniques d'ordre élevé des lasers attosecondes. Ces ondulations ont des fréquences et des amplitudes supérieures à celles des ondulations initiales produites par l'impulsion laser femtoseconde primaire. Lors du processus de génération d'harmoniques d'ordre élevé (HHG), un puissant faisceau laser, comparable à un jet continu de pierres, illumine une cible gazeuse, simulant la surface du lac. Ce champ laser intense propulse les électrons du gaz, à l'instar des ondulations, loin de leurs atomes parents, puis les ramène vers eux. Chaque fois qu'un électron retourne à l'atome, il émet un nouveau faisceau laser de fréquence plus élevée, à l'image de motifs d'ondulations plus complexes.

Filtrage et mise au point :

La combinaison de tous ces faisceaux laser nouvellement générés produit un spectre de couleurs variées (fréquences ou longueurs d'onde), dont certaines constituent le laser attoseconde. Pour isoler des ondulations de tailles et de fréquences spécifiques, on peut utiliser un filtre spécialisé, un peu comme pour sélectionner les ondulations souhaitées, et une loupe pour les focaliser sur une zone précise.

Compression pulsée (si nécessaire) :

Si l'on souhaite propager des ondes plus rapidement et sur une durée plus courte, on peut accélérer leur propagation à l'aide d'un dispositif spécialisé, réduisant ainsi la durée de chaque ondes. La génération de lasers attosecondes repose sur une interaction complexe de processus. Cependant, une fois décomposée et visualisée, elle devient plus compréhensible.