La physique de l’attoseconde, permet de suivre, de photographier, de comprendre les mouvements des électrons qui tournent autour des noyaux des atomes. Franck Lépine, chercheur CNRS, à l’Institut Lumière Matière (ILM) à l’Université Claude Bernard Lyon 1, explique cette approche plus fine de la physique permise par les travaux de trois scientifiques, le Français Pierre Agostini, la professeure de physique atomique franco-suédoise Anne L’Huillier, au physicien autrichien-hongrois Ferenc Krausz.
Il faut d’abord se remettre en tête que la physique, science abstraite, aride qu’on se dépêche d’oublier les portes du collège ou du lycée franchies, touche à l’essentiel, à la base des phénomènes naturels, de la matière à la lumière. Comprend grâce à la physique, c’est préparer des outils pour transformer le monde, améliorer ce qui doit l’être.
La physique attoseconde s’intéresse à des échelles de temps et d’espace très petites. Elle visent des phénomènes qui se déroulent l’échelle de l’attoseconde, unité de temps qui mesure le milliardième de milliardième de seconde. Une attoseconde c’est une seconde à la puissance moins 18, 10 puissance -18. » Le rapport est le même entre l’attoseconde et la seconde, qu’entre une respiration et le début de l’Univers, le Big Bang, il y a 13 milliards et demi d’années » explique Franck Lépine, physicien, chercheur au CNRS, qui travaille à l’institut Lumière Matière, à l’Université Claude Bernard à Lyon-Villeurbanne.
Pour l’échelle de dimension, la physique attoseconde, s’intéresse à l’électron une particule très légère en en orbite autour du noyau des atomes. « Les électrons sont essentiels pour le fonctionnement des atomes, ce sont eux qui permettent aux atomes de se lier entre eux pour former des molécules « , explique Franck Lépine.
Décomposer le mouvement des électrons
Comprendre le comportement des électrons, c’est mieux comprendre comment les atomes se rapprochent, s’associent. Encore faut-il les suivre dans leur mouvement extraordinairement rapide. Pour décomposer un mouvement de son début à la fin, il faut pouvoir en suivre les divers moments, les fixer. » Pour un de leurs premiers films, l’arrivée du train en gare de la Ciotat, les frères Lumière ont utilisé une pellicule qui permettait d’impression par la lumière entre 16 et 24 images par seconde » explique Franck Lépine. Les images étaient saccadées, mais assez représentative pour donner une image du mouvement et, accessoirement, impressionner les spectateurs.
Pour éclairer le mouvement des électrons, il faut un faisceau de lumière très rapide. Les trois lauréats du prix Nobel de Physique 2023, ont mis au point des impulsions de lumière extrêmement courtes qui peuvent être utilisées pour mesurer les processus rapides au cours desquels les électrons se déplacent ou changent d’énergie. ces innovations ont permis d’explorer des processus qui étaient tellement rapides qu’ils étaient auparavant impossibles à suivre . Anne L’Huillier, enseigne à l’université de Lund en Suède Pierre Agostini est professeur à l’Ohio State University aux Etats-Unis. Ferenc Krausz est directeur de l’Institut Max Planck en Allemagne.
La compréhension des électrons sur des échelles de temps aussi brèves a conduit depuis une vingtaine d’années à des progrès dans le domaine de l’électronique ultrarapide, qui permettraient le développement de puces plus puissantes. La physique attoseconde a permis de contrôler des réactions moléculaires en agissant sur leurs électrons. Elle présente un énorme potentiel pour faire progresser la recherche fondamentale , en physique quantique, en biologie, chimie, médecine. Elle permet de mieux connaitre les interactions entre un rayonnement et les atomes dans les processus pathogènes, de mettre au point de nouveaux tests capables de diagnostiquer des maladies à un stade beaucoup plus précoce. Elle permettrait de créer des microscopes électroniques plus précis, des appareils électroniques beaucoup plus rapides, d’améliorer le rendement des cellules photovoltaïques.
Le laboratoire attoseconde de l’ILM s’intéresse à mieux comprendre les processus quantiques à l’échelle attoseconde dans des systèmes allant de l’atome isolé à la biomolécule (protéine, ADN) mais également dans les matériaux. Les expériences tentent d’observer les premiers instants de l’interaction entre lumière et matière, « filmer » comment les charges et l’énergie vont se répartir. L’équipe de l’ILM s’intéresse également à l’amélioration des sources de rayonnement, à comment elles peuvent être utilisées dans d’autres domaines comme la caractérisation de matériaux ou dans le domaine de la santé (améliorer les radiothérapies, développer les diagnostiques). C’est une recherche en physique fondamentale mais très interdisciplinaire.
