De la femtoseconde à l'attoseconde

Imaginez que l’on vous demande de donner une représentation précise d'une impulsion de lumière laser qui dure 4,5 /1 000 000 000 000 000ème de seconde (4,5 femtosecondes). Comment procéder? Par où commencer?

Vous n’imaginez même pas une telle division du temps? Etant donné qu’il s’agit de l'impulsion de lumière laser la plus rapide que l'on n'ait jamais produite, ce n'est pas étonnant. Pour vous éclairer voici quelques explications : la durée de cette impulsion lumineuse « est à la minute ce que la minute est à l’âge de l’univers », en d’autres termes, très courte…

Toujours pas clair? Reportez-vous à l’illustration ci-dessous, qui représente une impulsion de 4,5 femtosecondes. Elle présente deux aspects de la lumière. Dans le premier, la lumière paraît sous la forme d’une vague (lignes rouges). Dans le deuxième, une courte impulsion est représentée par le total des vagues de longueurs différentes (ligne bleue). Les graduations sur l’axe horizontal sont séparées de 3 femtosecondes.

Maintenant que vous avez utilisé votre imagination, allons droit au but. Que peut-on faire avec quelque chose d’aussi infinitésimal? Les possibilités sont virtuellement illimitées et nous offrent un potentiel gigantesque pour tous les aspects de notre vie. En fait, lorsque l’on apprend comment maîtriser la puissance de cette impulsion de lumière, il est possible de l’utiliser pour des applications aussi diverses que l’augmentation de la vitesse et de la capacité des moyens de télécommunication ou encore la création de nouveaux instruments de chirurgie sans transfusion et de diagnostic sans effraction.

Un pouvoir de concentration petit mais musclé

Malgré la croyance populaire et les images vehiculées par les médias sur la puissance extraordinaire des lasers, les scientifiques savent que les impulsions d’un laser unique ne produisent que peu d’énergie. Pour avoir une idée de comparaison assez précise, l’énergie générée par un laser unique se compare à l’impact d’une mouche se posant sur le bras d’un être humain.

Néanmoins, lorsque la même impulsion de lumière est comprimée dans une femtoseconde, elle dégage alors des centaines de gigawatts et acquiert une toute autre puissance. Le résultat? Il est possible d’obtenir une puissance supérieure à celle produite par le Canada tout entier durant cette même femtoseconde. On peut aller encore plus loin. Si l’on concentre cette puissance de plusieurs centaines de gigawatts sur une cible du diamètre d’1/100ème d’un cheveu humain, l’énergie dégagée par l'impulsion de lumière est prodigieusement accrue. On obtiendrait l'équivalent d'un brasier. Du moins c’est ce que l’on devrait obtenir. Cette découverte de la science est si récente que personne dans le monde n’a beaucoup d’expérience d’une telle concentration de puissance. Et au fur et à mesure que les scientifiques continuent de l’étudier, ils ne cessent de faire de nouvelles découvertes.

A faible intensité : garder des molécules dans des poches de lumière

Avant de poursuivre notre enquête sur l’énergie produite par les impulsions de lumière il est nécessaire de s’arrêter sur la nature et la composition des molécules.

Une molécule est constituée de beaucoup d’électrons qui gravitent rapidement autour d’un ensemble d’ions plus lourds. Les électrons sont maintenus en place par l’attraction entre leur charge négative et la charge positive des ions plus lourds. Les électrons, en retour, aident à maintenir les ions ensemble, ce qui forme la molécule. Il s’agit d’une relation amicale et solide. Mais la lumière d’un laser concentrée directement sur une molécule « pousse » à la fois les ions positifs et les électrons négatifs dans des directions opposées. Etant donné que les électrons ne sont pas aussi gros que les ions, ils cèdent les premiers.

Pour mieux comprendre ce qui arrive ensuite il faut imaginer que la molécule est une balle. Les électrons en mouvement permettent au faisceau laser de saisir la balle un peu comme l’on saisirait une balle avec la main. (Il est intéressant de remarquer que si la lumière est assez puissante elle peut déformer la molécule exactement comme il est possible de déformer une balle molle NERF® en la pressant.) Une fois saisie dans la main, la balle épouse chaque mouvement que la main lui impose. De la même façon, lorsqu’on attrape une molécule dans une impulsion lumineuse, on peut modifier cette dernière et la molécule suivra le mouvement. Imaginez comment un lanceur de baseball imprime d’un tour de poignet une rotation à la balle pour lui donner de l’effet. Si l’on fait la même chose avec une molécule en « tordant » l'impulsion lumineuse, la molécule va aussi tourner.

Bienqu’il s’agisse d’un nouveau domaine de recherche, nous avons déjà démontré au Conseil national de recherches (CNRC) que des faisceaux lasers peuvent déplacer des molécules et qu'il est possible de concentrer des molécules comme on concentre la lumière à l’aide d’une lentille. Nous avons également démontré que l’on peut faire tourner une molécule — parfois si vite qu'elle éclate en morceaux.

Des vibrations plus courtes à des intensités intermédiaires

Nous venons de dépenser une énergie considérable pour démontrer qu’une femtoseconde est très courte. Et ce sans conteste. Il est temps maintenant de se tourner vers quelque chose d’encore plus court : l'attoseconde. En fait, les attosecondes sont mille fois plus courtes que les femtosecondes.

Les scientifiques vont bientôt pouvoir produire des impulsions de lumière laser de 100 attosecondes. La technologie nécessaire pour le faire requiert des impulsions de lumière de plus grande intensité que celles requises pour tenir une molécule. Elles doivent être assez puissantes pour que la force du laser sur les électrons domine la force qui maintient un électron dans un atome ou une molécule.

Dès qu’un électron est libéré, il est soufflé par la vague lumineuse. Pour bien visualiser ce qui se passe ensuite, prenons l’exemple d’un bateau de secours lancé par un navire dans une mer déchaînée. Alors qu’il est détaché du navire, il est balloté par les vagues. L'équipage du navire doit bien veiller à ce que le bateau de secours ne heurte pas le navire. De la même manière, l’électron peut heurter l’ion dont il vient de se séparer. Il s’ensuit alors une collision violente et l’électron émet de la lumière — de la même manière qu’un bateau de secours se brise.

Il est possible de contrôler de façon si précise la collision entre l’électron et l’ion que celle-ci peut être limitée à une durée de 100 attosecondes. Cela signifie que les scientifiques sont sur le point de réaliser le but de produire des impulsions lumineuses de 100 attosecondes. Dès que cela sera accompli un nouveau monde de possibilités s’ouvrira.

À plus haute intensité : la photographie des réactions chimiques

Chaque lycéen qui étudie les sciences sait que dans toute réaction chimique les atomes d’une molécule se réorganisent de façon autonome. Ce phénomène bien connu n’est pas visible à l’oeil nu. Imaginez quelles seraient les possibilités s'il était possible de photographier cette réaction chimique. Comment faire?

Dans des laboratoires du monde entier on y travaille depuis un bon moment. Les scientifiques ont relevé depuis une quinzaine d’années le défi d'observer les réactions chimiques en temps réel et ont réalisé des progrès considérables. Le prix Nobel 1999 de chimie, décerné au Dr Ahmed Zewail, récompense sa contribution considérable à ce domaine de recherche.

Mais des obstacles demeurent et il reste un long chemin à faire. Il n’est, par exemple, pas possible d’utiliser la lumière visible utilisée par la photographie classique, car la longueur d'onde de la lumière ordinaire est trop large. On a pensé à utiliser des rayons X mais ceux-ci sont difficiles à manipuler et on vient juste de découvrir comment produire de courtes explosions de rayons X.

Au Conseil national de recherches nous pensons pouvoir obtenir un résultat proche de la réalisation d’une photographie, du moins pour les petites molécules. Cela nécessiterait une lumière d’une intensité plus forte que celle utilisée pour créer des impulsions d’une attoseconde. Et si ces impulsions n’ont pas besoin de produire un « brasier », elles doivent être suffisamment puissantes pour libérer un grand nombre d’électrons de leurs ions, rompant ainsi le lien qui unit les atomes et la molécule.

La possibilité d’accomplir une telle tâche réside dans les ions dont les charges se repoussent naturellement. Quand les impulsions d'attoseconde sont utilisées pour libérer un grand nombre d’électrons, les ions qui restent sont tous positivement chargés. Ils explosent comme un pétard. Ainsi, pour « voir » quelle était la forme de la molécule juste avant l’explosion, il suffit de récupérer tous les fragments et de déterminer d’où ils proviennent, pour ensuite les rassembler en image à l’aide de graphiques générés par ordinateur. Si vous voulez une image plus concrète, imaginez le film d'une voiture remplie d’explosifs. Quand ils explosent, le toit de la voiture s’envole, les portières sont projetées sur les côtés et les phares vers l’avant. En rassemblant chaque pièce on peut déduire la forme de la voiture juste avant l’explosion.

Proche de la plus haute intensité : la relativité

Pour les scientifiques, l’un des projets les plus exaltants est la possibilité de ramener la relativité en laboratoire où ils peuvent l’étudier et l’utiliser comme bon leur semble. Les lasers utilisés pour accomplir cet exploit sont assez petits pour tenir sur une table de salle à manger et deviendront certainement encore plus petits.

Ainsi, si les scientifiques font preuve d’un esprit créatif suffisant, on pourra un jour profiter d’appareils ménagers ou d’équipements hospitaliers qui dépendent de la relativité. Les scientifiques eux-mêmes sont étonnés que l’on puisse imaginer une utilisation dans la vie de tous les jours de concepts aussi obscurs et abstraits que la fameuse équation d’Albert Einstein, E=mc², qui a ouvert la voie à de nouvelles théories sur la lumière et la gravité.

Permettez que je vous explique comment la relativité est apprivoisée. Einstein a énoncé le principe qu’il est impossible pour un objet de dépasser la vitesse de la lumière, car, dès lors qu’un objet (qu’il soit petit ou grand) frôle cette vitesse, il est retenu par une masse augmentant de façon constante. Nous savons que la lumière repousse les électrons et qu’une lumière intense les pousse encore plus. À environ 1/10 000e de l’intensité lumineuse la plus forte que l’on puisse techniquement atteindre, tout électron pris dans la lumière est accéléré, d’abord dans un sens puis dans un autre, suivant l’oscillation de l'onde lumineuse. Durant chaque demi-période de l'onde lumineuse, l'électron se trouve accéléré de l'inertie à une vitesse proche de celle de la lumière puis de nouveau stoppé. Ce processus ne prend que 1,5 femtosecondes.

Il est trop tôt pour savoir si l’on va réaliser une découverte suffisamment importante pour justifier l’application de la relativité dans nos maisons. Puisqu’il m’est impossible aujourd'hui de vous fournir une application pratique de la relativité, permettez-moi de vous présenter un développement récent de ce domaine de la science.

Une application : écrire des guides d’ondes

Au cours des deux dernières décennies nous avons appris que la technologie du laser ne cesse de progresser — qu’elle s’applique à la baguette laser, au lecteur CD ou à la caisse enregistreuse du supermarché. Ceci est aussi vrai pour les lasers à femtosecondes. Ils deviendront sans doute un jour des appareils de poche, ce qui permettra de multiples applications.

Une des applications pratiques que nous étudions au CNRC provient d’un domaine de recherche appliquée relatif à l’intégration photonique. Son fonctionnement? Imaginez la concentration de la lumière sur un matériau transparent — une vitre par exemple. Loin du point de concentration, la lumière du laser pénètre le verre comme un rayon de soleil. C’est seulement près du point de concentration (à l’intérieur de la vitre) que la lumière devient si intense qu’elle libère les électrons du matériau, de la même façon qu'elle les libère de la molécule. Il n’y a cependant pas beaucoup d’énergie dans l'impulsion et il y a un grand nombre de molécules dans le corps solide, donc très vite l'impulsion perd de la puissance. Violente au départ, l'impulsion « s’essouffle » rapidement. Parce qu’elle s’essouffle, elle n’abîme pas la vitre mais la modifie légèrement.

On comprend très vite qu'en déplaçant le laser après chaque tir il est possible de dessiner à l’intérieur du verre (comme on dessine au crayon sur une feuille de papier). Un déplacement continu permet de dessiner une ligne droite. Il est possible de diriger la lumière le long de cette ligne de la même façon que l’on dirige l’électricité le long d’un fil de cuivre, ou la lumière le long d'un guide d'ondes en fibre optique. Tout comme les scientifiques des années 1960 ont développé la technologie qui a permis d'intégrer sur une puce de silicone beaucoup de systèmes électroniques, la technologie d’aujourd’hui, qui permet d’écrire à l’intérieur d’un matériau transparent, sera l’un des outils les plus importants pour l’intégration photonique. Pour la première fois, il sera possible d’écrire des circuits optiques en 3-D.

Ma vision du futur

On dit souvent que les plus beaux jours de la science datent du début du 20e siècle où tant de théories fondamentales furent découvertes. Ces théories expliquent le fonctionnement des éléments qui composent la nature : les atomes, les molécules, les solides. Cependant, s'il s’agissait d’une époque florissante pour la théorie, « l'expérimentation » concrète avait du chemin à faire.

À mon avis, l’expérimentation rattrape aujourd'hui son retard. Les microscopes à effet tunnel nous ont permis de voir les atomes individuels. Les lasers à femtoseconde nous ont fourni un outil capable de maîtriser des forces aussi puissantes que celles qui maintiennent la matière dans son intégrité. Nous pouvons maintenant non seulement contrôler ces forces avec une précision incroyable, mais ces outils nous fournissent des « pinces de lumière » nous permettant d'entrer dans le micro-monde pour manipuler les atomes et les molécules à notre guise, ouvrant la voie à des découvertes majeures dans de nombreux domaines. Avec de telles découvertes à portée de main, je pense que notre époque est aussi exaltante et importante pour l’expérimentation que ne l’étaient les années 1920 pour la théorie.