Dans une annonce importante 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 des rôles pivots en tant que pionniers dans le domaine de la technologie laser attoseconde.

Le terme «laser attoseconde» tire son nom de la durée de temps incroyablement brève sur laquelle il fonctionne, en particulier dans l'ordre des attosecondes, correspondant à 10 ^ -18 secondes. Pour saisir la signification profonde de cette technologie, une compréhension fondamentale de ce qu'un attoseconde signifie est primordial. Une attoseconde est une unité de temps extrêmement minute, 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 à la base de la montagne. Dans cet intervalle temporel éphémère, même la lumière peut à peine traverser une distance équivalente à la taille d'un atome individuel. Grâce à l'utilisation des lasers attosecondes, les scientifiques acquièrent la capacité sans précédent à examiner et à manipuler la dynamique complexe des électrons dans les structures atomiques, semblable à une relecture au ralenti cadre dans une séquence cinématographique, se plongeant ainsi dans leur interaction.

Lasers attosecondesreprésentent l'aboutissement de recherches approfondies et d'efforts concertés par des scientifiques, qui ont exploité les principes des optiques non linéaires pour élaborer des lasers ultrapochants. Leur avènement nous a fourni un point de vue innovant pour l'observation et l'exploration des processus dynamiques se transpirant dans les atomes, les molécules et même les 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 laser» plus large. La classification par longueur d'onde place les lasers attosecondes principalement dans la gamme des fréquences ultraviolets aux rayons X mous, ce qui signifie leurs longueurs d'onde notamment plus courtes contrairement aux lasers conventionnels. En termes de modes de sortie, les lasers attosecondes relèvent de la catégorie des lasers pulsés, caractérisés par leurs durées d'impulsion extrêmement brèves. Pour tirer une analogie pour la clarté, on peut envisager des 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 les périodes d'éclairage et l'obscurité. Essentiellement, les lasers attosecondes présentent un comportement pulsant dans l'illumination et l'obscurité, mais leur transition entre les deux États se transforme à une fréquence étonnante, atteignant le domaine des attosecondes.

Une catégorisation supplémentaire par puissance place les lasers dans des supports de faible puissance, d'énergie moyenne et de haute puissance. Les lasers attosecondes atteignent une puissance de pointe élevée en raison de leurs durées d'impulsion extrêmement courtes, résultant en une puissance de crête prononcée (P) - définie comme l'intensité de l'énergie par unité de temps (p = w / t). Bien que les impulsions laser attosecondes individuelles puissent ne pas posséder une énergie exceptionnellement importante (W), leur étendue temporelle abrégée (T) les donne avec une puissance de pointe élevée.

En termes de domaines d'application, les lasers s'étendent sur un spectre englobant les applications industrielles, médicales et scientifiques. Les lasers attosecondes trouvent principalement leur créneau 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 une fenêtre sur les processus dynamiques rapides du monde microcosmique.

La catégorisation par le milieu laser délimite les lasers en tant que lasers de gaz, lasers à l'état solide, lasers liquides et lasers semi-conducteurs. La génération de lasers attosecondes repose généralement sur les milieux laser à gaz, capitalisant sur les effets optiques non linéaires pour engendrer des harmoniques d'ordre élevé.

En résumé, les lasers attosecondes constituent une classe unique de lasers à impulsions courts, distingués 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 ultra-rapides des électrons dans les atomes, les molécules et les matériaux solides.

Le processus élaboré de la génération laser attoseconde

La technologie laser attoseconde est à l'avant-garde de l'innovation scientifique, avec un ensemble de conditions de manière intrigante pour sa génération. Pour élucider les subtilités de la génération laser attoseconde, nous commençons par une exposition concise de ses principes sous-jacents, suivis de métaphores vives dérivées des expériences quotidiennes. Les lecteurs non versés dans les subtilités de la physique pertinente n'ont pas besoin de désespérer, car les métaphores qui ont suivi visent à rendre la physique fondamentale des lasers attosecondes accessibles.

Le processus de génération des lasers attosecondes repose principalement sur la technique connue sous le nom de génération harmonique élevée (HHG). Premièrement, un faisceau d'impulsions laser à haute intensité Femtoseconde (10 ^ -15 secondes) est étroitement concentrée sur un matériau cible gazeux. Il convient de noter que les lasers fémtosecondes, semblables aux lasers attosecondes, partagent les caractéristiques de la possession de durée d'impulsions courtes et de puissance de pointe élevée. Sous l'influence du champ laser intense, les électrons dans les atomes de gaz sont momentanément libérés de leurs noyaux atomiques, entrant transitoirement dans un état d'électrons libres. Comme ces électrons oscillent en réponse au champ laser, ils finissent par revenir et se recombiner avec leurs noyaux atomiques parents, créant de nouveaux états à 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 une énergie supplémentaire sous la forme d'émissions harmoniques élevées, se manifestant en tant que photons à haute énergie.

Les fréquences de ces photons à haute énergie nouvellement générés sont des multiples entiers de la fréquence laser d'origine, formant ce que l'on appelle les harmoniques d'ordre élevé, où les «harmoniques» indiquent les fréquences qui font partie intégrante de la fréquence d'origine. Pour atteindre des lasers attosecondes, il devient nécessaire de filtrer et de concentrer ces harmoniques d'ordre élevé, en sélectionnant des harmoniques spécifiques et en les concentrant dans un point focal. Si vous le souhaitez, les techniques de compression d'impulsions peuvent abréger davantage la durée de l'impulsion, produisant des impulsions ultra-short dans la gamme attoseconde. De toute évidence, la génération de lasers attosecondes constitue un processus sophistiqué et multiforme, exigeant un haut degré de prouesses techniques et d'équipement spécialisé.

Pour démystifier ce processus complexe, nous offrons un parallèle métaphorique fondé sur les scénarios quotidiens:

Impulsions laser à haute intensité de Femtoseconde:

Envisage possédant une catapulte exceptionnellement puissante capable de bloquer instantanément des pierres à des vitesses colossales, semblable au rôle joué par des impulsions laser fémtosecondes à haute intensité.

Matériel cible gazeux:

Imaginez un plan d'eau tranquille qui symbolise le matériau cible gazeux, où chaque gouttelette d'eau représente une myriade d'atomes de gaz. L'acte de propulsion des pierres dans ce plan d'eau reflète de manière analogue de l'impact des impulsions laser fémtosecondes à haute intensité sur le matériau cible gazeux.

Mouvement électronique et recombinaison (transition physiquement appelée):

Lorsque des impulsions laser fémtosecondes ont un impact sur les atomes de gaz dans le matériau cible gazeux, un nombre important d'électrons externes sont momentanément excités à un état où ils se détachent de leurs noyaux atomiques respectifs, formant un état de type plasma. Alors que l'énergie du système diminue par la suite (puisque les impulsions laser sont intrinsèquement pulsées, avec des intervalles de cessation), ces électrons externes reviennent à leur voisinage des noyaux atomiques, libérant des photons à haute énergie.

Génération harmonique élevée:

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

Filtrage et concentration:

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'impulsions (si nécessaire):

Si vous visez à propager des ondulations plus rapides et plus courtes, vous pouvez accélérer leur propagation à l'aide d'un appareil spécialisé, en réduisant le temps que chaque ondulation dure. La génération de lasers attosecondes implique une interaction complexe de processus. Cependant, lorsqu'il est ventilé et visualisé, il devient plus compréhensible.