La physique de l'extrême
Dans un laboratoire situé à Varennes, des scientifiques ont réussi un exploit de taille qui attire les physiciens du monde entier. À partir de cristaux de titane-saphir, ils sont arrivés à produire des impulsions laser uniques au monde par leur durée infinitésimale, leur puissance gigantesque et leur taux de répétition élevé.
Cette innovation extraordinaire permet de voir les molécules bouger en temps réel, de reproduire les conditions prévalant dans le coeur des étoiles, de détecter des tumeurs mammaires d'à peine quelques microns de diamètre, de brûler des cancers de l'oeil et du cerveau pour lesquels la radiothérapie est inutilisable, de découper des couches profondes de l'oeil, voire de déclencher la foudre.
Ce laser pulsé, dont chacune des dix impulsions émises chaque seconde ne dure que 20 femtosecondes, ou millionièmes de milliardième de seconde (10-15 seconde), et atteint une puissance de 200 térawatts (1012 watts), soit l'équivalent de 50 fois l'électricité produite par toutes les centrales électriques du monde ou de 2000 milliards d'ampoules allumées en même temps, a été créé ici, au Québec, dans un laboratoire de l'Institut national de recherche scientifique (INRS) en banlieue de Montréal.
Aujourd'hui, l'INRS dispose des systèmes laser les plus perfectionnés de la planète. «C'est actuellement le plus d'énergie que l'on sache faire pour une impulsion aussi courte à raison de dix flashs de lumière par seconde. C'est le seul laser au monde doté à la fois d'une énergie de cinq joules sur une durée de 20 femtosecondes (10-15 seconde) (ce qui équivaut à 200 térawatts) à raison de 10 tirs par seconde. D'autres équipes ont réussi à obtenir beaucoup plus d'énergie à chaque impulsion, mais elles ne parviennent à faire qu'un tir par jour ou par heure, ou bien les impulsions sont plus longues. La succession de tirs que nous avons réussi à obtenir ouvre la porte à diverses applications fascinantes», précise Jean-Claude Kieffer, directeur du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'INRS à Varennes
L'histoire de cet exploit débute par une collaboration avec le Français Gérard Mourou, qui en 1988 invente une méthode optique pour raccourcir les impulsions laser tout en conservant leur énergie. De cet échange naissent les premiers systèmes laser à impulsions courtes et de grandes puissances au Canada dans les laboratoires de Varennes. Avec cet équipement de pointe, la recherche va bon train, et en 2004 le chercheur Jean-Claude Kieffer obtient de la Fondation canadienne pour l'innovation (FCI) une subvention de 21 millions de dollars qui permet la concrétisation du projet ALLS (Advanced Laser Light Source ou Laboratoire de source femtoseconde) auquel participent 14 universités canadiennes et trois laboratoires gouvernementaux.
Le cinéma de la chimie
Jean-Claude Kieffer utilise le pouvoir de la femtoseconde pour filmer la chimie moléculaire en temps réel. Pour ce faire, il s'inspire du procédé de photographie stroboscopique mis au point par le scientifique états-unien Harold Eugene Edgerton, devenu célèbre avec ses fameuses photos du giclement d'une goutte de lait et d'un projectile qui traverse une pomme. À l'aide d'un stroboflash qui envoyait dans un espace noir plusieurs éclairs par seconde, Edgerton parvenait à saisir et à reproduire les phases de mouvements ultra-rapides de l'ordre de la microseconde.
Ahmed Zewail, du CalTech California Institute of Technology, a plus récemment proposé d'utiliser la stroboscopie pour voir les réactions chimiques en temps réel, ce qui lui a valu le prix Nobel de chimie en 1999, rappelle M. Kieffer. Il est le précurseur de cette nouvelle science, appelée femtochimie, qui permet de voir les très petits mouvements des atomes et ainsi de comprendre leur comportement afin de pouvoir un jour contrôler le résultat des réactions chimiques.
«Aujourd'hui, les scientifiques n'ont qu'une compréhension statique de la matière qui pourtant bouge sur des échelles de temps allant de la microseconde (10-6 seconde) à l'attoseconde (10-18 seconde). Or cette dynamique définit en grande partie la fonction de la molécule», explique Jean-Claude Kieffer, dont le projet futur consistera à déceler les changements de conformation de macromolécules, telles que la myoglobine — cette protéine qui transporte l'oxygène dans les muscles — qui surviennent à l'échelle de temps de la femtoseconde et sur des distances de l'ordre de l'angström (10-10 mètre). «Ces subtils déplacements des atomes sont suffisants pour modifier la fonction de la macromolécule», souligne le physicien.
L'attoseconde
«Alors que l'échelle de temps de la chimie, soit celle des mouvements des atomes qui se séparent ou qui s'assemblent pour créer des liaisons chimiques, est la femtoseconde, l'échelle de temps à laquelle se déplacent les électrons qui gravitent autour de leurs atomes est l'attoseconde [qui est mille fois plus courte que la femtoseconde]. Le rapport entre une attoseconde et une seconde est le même que celui entre une seconde et l'âge de l'univers (environ 15 milliards d'années)», poursuit le physicien canadien Paul Corkum, véritable pionnier de l'attoseconde.
Directeur du Laboratoire de la science de l'attoseconde du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et professeur à l'Université d'Ottawa, M. Corkum explique que les électrons sont plus légers que les atomes et, pour cette raison, bougent plus vite. Pour suivre leurs déplacements, il fallait donc arriver à générer des flashs de lumière encore plus brefs, de l'ordre de l'attoseconde.
«Les scientifiques qui ont mis au point des techniques laser permettant d'atteindre quelques femtosecondes ne pouvaient repousser cette frontière, car il leur était impossible de générer des impulsions lumineuses plus courtes que la période d'une onde lumineuse, soit le temps nécessaire à la lumière pour faire une oscillation complète ou une longueur d'onde. Or, dans la lumière émise par le laser, qui est une lumière ordinaire comme celle que nous voyons, la période d'une onde lumineuse est de l'ordre de la femtoseconde», précise le professeur Corkum, qui a néanmoins trouvé une astuce pour générer des longueurs d'onde encore plus courtes, qui permettront de produire des impulsions plus brèves que la femtoseconde, atteignant à ce jour des durées de 80 attosecondes.
Pour ce faire, Paul Corkum et son équipe font appel au laser femtoseconde pour tirer un électron hors du giron de l'atome autour duquel il gravite. Et au moment où l'électron revient vers l'ion auquel il appartient, et le percute, il émet un jet de lumière.
«Tout se passe comme si un canot de sauvetage était largué à la mer depuis un navire et qu'après un petit tour dans les flots, il s'écrasait sur le navire. En contrôlant la collision entre l'électron et son ion, nous pouvons générer une lumière très courte. Il a ainsi été possible de produire des jets de lumière de 80 attosecondes dans la zone des rayons X-ultra-violet. Et ces impulsions ultrabrèves nous permettent de voir comment les électrons réagissent à un stimulus. En apprenant à contrôler ces électrons, peut-être serons-nous capables d'orienter les réactions chimiques dans le sens que nous désirons? Nous atteignons ainsi un nouveau degré de contrôle de la matière», explique le physicien, qui publie en collaboration avec Jean-Claude Kieffer dans la dernière édition du magazine Science un article faisant état d'expériences sur des molécules d'azote et d'oxygène.
Avec leur laser femtoseconde dernier cri, les chercheurs de l'INRS espèrent reproduire des coeurs d'étoile en laboratoire. Ils approchent du but car ils ont déjà réussi à générer une énergie de 1021 watts sur un point d'un centimètre carré (cm2). Quand ils parviendront à atteindre des niveaux excédant les 1023 watts par cm2, ils entreront dans un domaine qui leur est totalement inconnu: la physique de l'extrême, où les champs magnétiques sont ultra-intenses et où l'énergie des particules est si élevée que les effets quantiques se font sentir. Il s'agira de conditions qu'on ne retrouve que dans des milieux exotiques, comme les coeurs d'étoile, indique Jean-Claude Kieffer.
«La beauté de la femtoseconde est que vous pouvez chauffer la matière à des températures atteignant des dizaines de millions de degrés et l'observer avant qu'elle ait le temps de bouger, alors qu'elle est toujours à l'état solide. C'est Lucky Luke à la femtoseconde! Normalement, si vous chauffez la matière, elle se dilate, c'est-à-dire que les ions vont bouger. Mais quand on chauffe pendant des périodes de l'ordre de 20 femtosecondes, la température monte rapidement et les ions, qui sont quand même assez lourds, n'ont pas le temps de bouger. Pendant ce temps très court, la matière présente des propriétés fabuleuses comme au coeur des étoiles. Alors, si on peut sonder cette matière pendant ces moments très, très courts avec une source annexe de particules ou de faisceaux de lumière, on pourra comprendre ce qui se passe normalement dans les coeurs d'étoile, sur des échelles de temps beaucoup plus longues bien sûr», explique le chercheur.
Guider la foudre
Il y a quelques années, l'équipe du professeur Kieffer a utilisé le laser femtoseconde en collaboration avec des spécialistes de l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ) pour déclencher la foudre là où on le désire. «Avec le laser femtoseconde, on ionise l'air et crée ainsi un canal d'ionisation [où la conductance est plus grande et qui constitue un paratonnerre actif] que la foudre suivra. On peut ainsi dévier et guider la foudre afin qu'elle n'endommage pas les noeuds du réseau de distribution de l'électricité, qui sont très sensibles aux décharges de la foudre», explique Jean-Claude Kieffer.
En repoussant toujours plus loin les limites des lasers, les scientifiques pénètrent désormais dans un domaine jusque-là méconnu de la chimie et de la physique, dont ils imaginent à peine aujourd'hui les immenses applications.
Cette innovation extraordinaire permet de voir les molécules bouger en temps réel, de reproduire les conditions prévalant dans le coeur des étoiles, de détecter des tumeurs mammaires d'à peine quelques microns de diamètre, de brûler des cancers de l'oeil et du cerveau pour lesquels la radiothérapie est inutilisable, de découper des couches profondes de l'oeil, voire de déclencher la foudre.
Ce laser pulsé, dont chacune des dix impulsions émises chaque seconde ne dure que 20 femtosecondes, ou millionièmes de milliardième de seconde (10-15 seconde), et atteint une puissance de 200 térawatts (1012 watts), soit l'équivalent de 50 fois l'électricité produite par toutes les centrales électriques du monde ou de 2000 milliards d'ampoules allumées en même temps, a été créé ici, au Québec, dans un laboratoire de l'Institut national de recherche scientifique (INRS) en banlieue de Montréal.
Aujourd'hui, l'INRS dispose des systèmes laser les plus perfectionnés de la planète. «C'est actuellement le plus d'énergie que l'on sache faire pour une impulsion aussi courte à raison de dix flashs de lumière par seconde. C'est le seul laser au monde doté à la fois d'une énergie de cinq joules sur une durée de 20 femtosecondes (10-15 seconde) (ce qui équivaut à 200 térawatts) à raison de 10 tirs par seconde. D'autres équipes ont réussi à obtenir beaucoup plus d'énergie à chaque impulsion, mais elles ne parviennent à faire qu'un tir par jour ou par heure, ou bien les impulsions sont plus longues. La succession de tirs que nous avons réussi à obtenir ouvre la porte à diverses applications fascinantes», précise Jean-Claude Kieffer, directeur du Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l'INRS à Varennes
L'histoire de cet exploit débute par une collaboration avec le Français Gérard Mourou, qui en 1988 invente une méthode optique pour raccourcir les impulsions laser tout en conservant leur énergie. De cet échange naissent les premiers systèmes laser à impulsions courtes et de grandes puissances au Canada dans les laboratoires de Varennes. Avec cet équipement de pointe, la recherche va bon train, et en 2004 le chercheur Jean-Claude Kieffer obtient de la Fondation canadienne pour l'innovation (FCI) une subvention de 21 millions de dollars qui permet la concrétisation du projet ALLS (Advanced Laser Light Source ou Laboratoire de source femtoseconde) auquel participent 14 universités canadiennes et trois laboratoires gouvernementaux.
Le cinéma de la chimie
Jean-Claude Kieffer utilise le pouvoir de la femtoseconde pour filmer la chimie moléculaire en temps réel. Pour ce faire, il s'inspire du procédé de photographie stroboscopique mis au point par le scientifique états-unien Harold Eugene Edgerton, devenu célèbre avec ses fameuses photos du giclement d'une goutte de lait et d'un projectile qui traverse une pomme. À l'aide d'un stroboflash qui envoyait dans un espace noir plusieurs éclairs par seconde, Edgerton parvenait à saisir et à reproduire les phases de mouvements ultra-rapides de l'ordre de la microseconde.
Ahmed Zewail, du CalTech California Institute of Technology, a plus récemment proposé d'utiliser la stroboscopie pour voir les réactions chimiques en temps réel, ce qui lui a valu le prix Nobel de chimie en 1999, rappelle M. Kieffer. Il est le précurseur de cette nouvelle science, appelée femtochimie, qui permet de voir les très petits mouvements des atomes et ainsi de comprendre leur comportement afin de pouvoir un jour contrôler le résultat des réactions chimiques.
«Aujourd'hui, les scientifiques n'ont qu'une compréhension statique de la matière qui pourtant bouge sur des échelles de temps allant de la microseconde (10-6 seconde) à l'attoseconde (10-18 seconde). Or cette dynamique définit en grande partie la fonction de la molécule», explique Jean-Claude Kieffer, dont le projet futur consistera à déceler les changements de conformation de macromolécules, telles que la myoglobine — cette protéine qui transporte l'oxygène dans les muscles — qui surviennent à l'échelle de temps de la femtoseconde et sur des distances de l'ordre de l'angström (10-10 mètre). «Ces subtils déplacements des atomes sont suffisants pour modifier la fonction de la macromolécule», souligne le physicien.
L'attoseconde
«Alors que l'échelle de temps de la chimie, soit celle des mouvements des atomes qui se séparent ou qui s'assemblent pour créer des liaisons chimiques, est la femtoseconde, l'échelle de temps à laquelle se déplacent les électrons qui gravitent autour de leurs atomes est l'attoseconde [qui est mille fois plus courte que la femtoseconde]. Le rapport entre une attoseconde et une seconde est le même que celui entre une seconde et l'âge de l'univers (environ 15 milliards d'années)», poursuit le physicien canadien Paul Corkum, véritable pionnier de l'attoseconde.
Directeur du Laboratoire de la science de l'attoseconde du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et professeur à l'Université d'Ottawa, M. Corkum explique que les électrons sont plus légers que les atomes et, pour cette raison, bougent plus vite. Pour suivre leurs déplacements, il fallait donc arriver à générer des flashs de lumière encore plus brefs, de l'ordre de l'attoseconde.
«Les scientifiques qui ont mis au point des techniques laser permettant d'atteindre quelques femtosecondes ne pouvaient repousser cette frontière, car il leur était impossible de générer des impulsions lumineuses plus courtes que la période d'une onde lumineuse, soit le temps nécessaire à la lumière pour faire une oscillation complète ou une longueur d'onde. Or, dans la lumière émise par le laser, qui est une lumière ordinaire comme celle que nous voyons, la période d'une onde lumineuse est de l'ordre de la femtoseconde», précise le professeur Corkum, qui a néanmoins trouvé une astuce pour générer des longueurs d'onde encore plus courtes, qui permettront de produire des impulsions plus brèves que la femtoseconde, atteignant à ce jour des durées de 80 attosecondes.
Pour ce faire, Paul Corkum et son équipe font appel au laser femtoseconde pour tirer un électron hors du giron de l'atome autour duquel il gravite. Et au moment où l'électron revient vers l'ion auquel il appartient, et le percute, il émet un jet de lumière.
«Tout se passe comme si un canot de sauvetage était largué à la mer depuis un navire et qu'après un petit tour dans les flots, il s'écrasait sur le navire. En contrôlant la collision entre l'électron et son ion, nous pouvons générer une lumière très courte. Il a ainsi été possible de produire des jets de lumière de 80 attosecondes dans la zone des rayons X-ultra-violet. Et ces impulsions ultrabrèves nous permettent de voir comment les électrons réagissent à un stimulus. En apprenant à contrôler ces électrons, peut-être serons-nous capables d'orienter les réactions chimiques dans le sens que nous désirons? Nous atteignons ainsi un nouveau degré de contrôle de la matière», explique le physicien, qui publie en collaboration avec Jean-Claude Kieffer dans la dernière édition du magazine Science un article faisant état d'expériences sur des molécules d'azote et d'oxygène.
Avec leur laser femtoseconde dernier cri, les chercheurs de l'INRS espèrent reproduire des coeurs d'étoile en laboratoire. Ils approchent du but car ils ont déjà réussi à générer une énergie de 1021 watts sur un point d'un centimètre carré (cm2). Quand ils parviendront à atteindre des niveaux excédant les 1023 watts par cm2, ils entreront dans un domaine qui leur est totalement inconnu: la physique de l'extrême, où les champs magnétiques sont ultra-intenses et où l'énergie des particules est si élevée que les effets quantiques se font sentir. Il s'agira de conditions qu'on ne retrouve que dans des milieux exotiques, comme les coeurs d'étoile, indique Jean-Claude Kieffer.
«La beauté de la femtoseconde est que vous pouvez chauffer la matière à des températures atteignant des dizaines de millions de degrés et l'observer avant qu'elle ait le temps de bouger, alors qu'elle est toujours à l'état solide. C'est Lucky Luke à la femtoseconde! Normalement, si vous chauffez la matière, elle se dilate, c'est-à-dire que les ions vont bouger. Mais quand on chauffe pendant des périodes de l'ordre de 20 femtosecondes, la température monte rapidement et les ions, qui sont quand même assez lourds, n'ont pas le temps de bouger. Pendant ce temps très court, la matière présente des propriétés fabuleuses comme au coeur des étoiles. Alors, si on peut sonder cette matière pendant ces moments très, très courts avec une source annexe de particules ou de faisceaux de lumière, on pourra comprendre ce qui se passe normalement dans les coeurs d'étoile, sur des échelles de temps beaucoup plus longues bien sûr», explique le chercheur.
Guider la foudre
Il y a quelques années, l'équipe du professeur Kieffer a utilisé le laser femtoseconde en collaboration avec des spécialistes de l'Institut de recherche d'Hydro-Québec (IREQ) pour déclencher la foudre là où on le désire. «Avec le laser femtoseconde, on ionise l'air et crée ainsi un canal d'ionisation [où la conductance est plus grande et qui constitue un paratonnerre actif] que la foudre suivra. On peut ainsi dévier et guider la foudre afin qu'elle n'endommage pas les noeuds du réseau de distribution de l'électricité, qui sont très sensibles aux décharges de la foudre», explique Jean-Claude Kieffer.
En repoussant toujours plus loin les limites des lasers, les scientifiques pénètrent désormais dans un domaine jusque-là méconnu de la chimie et de la physique, dont ils imaginent à peine aujourd'hui les immenses applications.
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