Lors d'une annonce mémorable 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 essentiel 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 fonctionne, plus précisément de l'ordre de l'attoseconde, correspondant à 10^-18 secondes. Pour saisir l'importance profonde de cette technologie, il est primordial de comprendre la signification fondamentale d'une attoseconde. Une attoseconde est une unité de temps extrêmement infime, représentant un milliardième de milliardième de seconde dans le contexte plus large d'une seconde. Pour mettre cela en perspective, si l'on compare une seconde à une montagne imposante, une attoseconde serait comparable à un grain de sable niché à son pied. Dans cet intervalle de temps 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 sans précédent d'analyser et de manipuler la dynamique complexe des électrons au sein des structures atomiques, comparable à un ralenti image par image dans une séquence cinématographique, explorant ainsi leur interaction.

Lasers attosecondesIls 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 innovant pour l'observation et l'exploration des processus dynamiques à l'œuvre au sein des atomes, des molécules et même des électrons dans les matériaux solides.

Pour élucider la nature des lasers attosecondes et apprécier leurs caractéristiques atypiques par rapport aux lasers conventionnels, il est impératif d'explorer leur classification au sein de la « famille des lasers ». La classification par longueur d'onde place les lasers attosecondes principalement dans la gamme de 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 sortie, les lasers attosecondes appartiennent à la catégorie des lasers pulsés, caractérisés par des durées d'impulsion extrêmement brèves. Pour plus de clarté, on peut comparer les lasers à onde continue à une lampe de poche émettant un faisceau lumineux continu, tandis que les lasers pulsés ressemblent à une lumière stroboscopique, alternant rapidement entre périodes d'illumination et d'obscurité. En substance, les lasers attosecondes présentent un comportement pulsatoire dans l'illumination et l'obscurité, mais leur transition entre les deux états s'effectue à une fréquence étonnante, atteignant l'échelle de l'attoseconde.

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

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

La catégorisation par milieu laser distingue les lasers : lasers à gaz, lasers à solide, lasers à liquide et lasers à semi-conducteur. La génération de lasers attosecondes repose généralement sur des milieux laser à gaz, exploitant les 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, se distinguant par la brièveté exceptionnelle de leurs durées d'impulsion, 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 élaboré de génération de laser attoseconde

La technologie laser attoseconde est à la pointe de l'innovation scientifique, bénéficiant d'un ensemble de conditions de génération étonnamment rigoureuses. Afin d'en comprendre les subtilités, nous commençons par une brève présentation de ses principes sous-jacents, suivie de métaphores vivantes tirées d'expériences quotidiennes. Les lecteurs peu familiarisés avec les subtilités de la physique pertinente n'ont pas à désespérer, car les métaphores qui suivent visent à rendre accessibles les fondements physiques des lasers attosecondes.

Le processus de génération des lasers attosecondes repose principalement sur la technique dite de génération d'harmoniques élevées (HHG). Tout d'abord, un faisceau d'impulsions laser femtosecondes de haute intensité (10^-15 secondes) est focalisé sur une cible gazeuse. Il est intéressant de noter que les lasers femtosecondes, similaires aux lasers attosecondes, partagent les caractéristiques suivantes : des impulsions courtes et une puissance crête élevée. Sous l'effet du champ laser intense, les électrons des atomes de gaz sont momentanément libérés de leur noyau atomique, passant ainsi à l'état d'électrons libres. En oscillant sous l'effet du champ laser, ces électrons finissent par revenir à leur noyau atomique d'origine et se recombiner avec lui, 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 la 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 multiples entières de la fréquence d'origine. 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 nécessaire, des techniques de compression d'impulsions peuvent encore raccourcir la durée de l'impulsion, produisant des impulsions ultra-courtes de l'ordre de l'attoseconde. De toute évidence, la génération de lasers attosecondes constitue un processus sophistiqué et complexe, exigeant une grande maîtrise technique et un équipement spécialisé.

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

Impulsions laser femtosecondes 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 femtosecondes 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. L'action de propulser des pierres dans cette étendue d'eau reflète de manière analogue l'impact d'impulsions laser femtosecondes de haute intensité sur le matériau gazeux cible.

Mouvement et recombinaison des électrons (transition appelée physiquement) :

Lorsque des impulsions laser femtosecondes frappent les atomes de gaz contenus dans le matériau cible, un nombre important d'électrons externes sont momentanément excités et se détachent de leurs noyaux atomiques respectifs, formant un état de plasma. À mesure que l'énergie du système diminue (les impulsions laser étant intrinsèquement pulsées, avec des intervalles d'interruption), ces électrons externes reviennent 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 élevées des lasers attosecondes. Ces ondulations ont des fréquences et des amplitudes plus élevées que celles provoquées par l'impulsion laser femtoseconde primaire. Lors du processus HHG, un puissant faisceau laser, comparable à un jet continu de pierres, illumine une cible gazeuse, reproduisant la surface du lac. Ce champ laser intense propulse les électrons du gaz, tels des ondulations, loin de leurs atomes parents, puis les attire. Chaque fois qu'un électron revient à l'atome, il émet un nouveau faisceau laser de fréquence plus élevée, s'apparentant à des ondulations plus complexes.

Filtrage et focalisation :

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 tailles et des fréquences d'ondulations spécifiques, vous pouvez utiliser un filtre spécialisé, similaire à la sélection des ondulations souhaitées, et utiliser une loupe pour les focaliser sur une zone spécifique.

Compression d'impulsion (si nécessaire) :

Si vous souhaitez propager des ondulations plus rapidement et plus rapidement, vous pouvez accélérer leur propagation à l'aide d'un dispositif spécialisé, réduisant ainsi la durée de chaque ondulation. La génération de lasers attosecondes implique une interaction complexe de processus. Cependant, une fois décomposée et visualisée, elle devient plus compréhensible.