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    Laboratoire de recherche conjoint en science de l'attoseconde - Un jour, on verra comment se déroule une réaction chimique

    L'équipe de Paul Corkum a réalisé en 2001 la première photographie d'un électron

    14 mai 2011 |Claude Lafleur | Science et technologie
    Paul Corkum dirige le Laboratoire de recherche conjoint en science de l’attoseconde (JASLab) du Conseil national de recherches du Canada, à Ottawa.<br />
    Photo: - archives Le Devoir Paul Corkum dirige le Laboratoire de recherche conjoint en science de l’attoseconde (JASLab) du Conseil national de recherches du Canada, à Ottawa.
    Nous vivons à une époque hallucinante. Pendant que des astrophysiciens photographient les confins de l'Univers grâce au télescope spatial Hubble, des attophysiciens réalisent ce que d'aucuns considéraient comme impossible il n'y a pas si longtemps: photographier des atomes en action. Cette prouesse technologique est due à un brillant chercheur canadien, Paul Corkum, qui dirige le Laboratoire de recherche conjoint en science de l'attoseconde (JASLab) du Conseil national de recherches du Canada, à Ottawa.

    Comment Paul Corkum a-t-il fait pour réaliser l'impossible photo? En mettant tout bonnement au point une «caméra» suffisamment rapide pour prendre des clichés à la vitesse où évoluent les électrons.

    On parle alors d'une vitesse de l'ordre de l'attoseconde — et non pas de la milliseconde, comme dans notre monde. Une attoseconde est un intervalle de temps si court qu'un photon de lumière — qui se déplace à l'incroyable vitesse de 300 000 kilomètres à la seconde — n'a le temps que de franchir une distance équivalant à la taille de quelques atomes!

    Ne bougeons plus


    «L'idée est simple, relate joyeusement l'attophysicien. Il s'agit d'utiliser un flash lumineux suffisamment court pour fixer les électrons dans leur course.» Lorsqu'on photographie un objet à l'aide d'un appareil, rappelle-t-il, on se sert d'un flash de lumière très bref: l'obturateur de l'appareil photo qui laisse passer la lumière pendant une fraction de seconde. Ce flash est suffisamment court pour fixer le mouvement de quelqu'un qui marche, par exemple. On observe le même phénomène sur une piste de danse illuminée par un stroboscope; les danseurs semblent figés durant la fraction de seconde que dure chaque flash.

    «C'est dire qu'un flash illuminant un objet semble l'immobiliser le temps de le prendre en photo, observe M. Corkum. C'est la même chose que fait une caméra de cinéma. Dans le cas de nos appareils photo, le flash dure une milliseconde, soit un millième de seconde, ce qui suffit amplement, compte tenu des vitesses auxquelles nous évoluons.»

    Toutefois, pour photographier des atomes en mouvement, il faut recourir à des flashs qui durent une attoseconde, soit un millionième de millionième de millionième de seconde — ou, si vous préférez: 1/1 000 000 000 000 000 000e de seconde (10-18 seconde). Cet intervalle de temps est si petit qu'on calcule qu'il y a davantage d'attosecondes dans une seconde que de secondes s'étant écoulées depuis la naissance de l'Univers!

    La barrière des 6000 attosecondes

    Pour parvenir à produire des flashs aussi brefs, les physiciens utilisent l'impulsion générée par des lasers. À partir des années 1950, ils sont parvenus à concevoir des lasers toujours plus rapides, jusqu'à ce qu'ils frappent une barrière théorique au milieu des années 1980. En effet, on a alors déterminé que jamais on ne pourrait produire des flashs de laser plus brefs que 6000 attosecondes. Jamais on ne parviendrait donc à voir clairement ce qui se passe chez les atomes: ce serait comme tenter de photographier une course automobile avec un appareil ordinaire.

    Toutefois, dans les années 1990, Paul Corkum a eu une idée «toute simple»: pourquoi ne pas utiliser des flashs provoqués par les électrons eux-mêmes? Ainsi, en excitant des atomes — c'est-à-dire en leur fournissant de l'énergie — on fait se détacher d'eux des électrons. Toutefois, certains de ces électrons retombent vers leur atome, ce qui provoque un flash au moment de la collision. «Ainsi, si vous excitez des milliers et des milliers d'atomes, vous obtiendrez des milliers de flashs... Des flashs dont la durée est de l'ordre de l'attoseconde.»

    «L'idée est tellement simple, insiste-t-il, que je suis même étonné qu'elle ait si bien marché!» Toutefois, entre l'énoncé théorique qu'a fait M. Corkum et son application pratique, il s'est écoulé une demi-douzaine d'années. Ce n'est qu'en 2001 que son équipe a réussi l'exploit de photographier un électron. «En fait, l'électron n'est pas, comme on l'imagine généralement, une particule qui gravite autour de son noyau, dit-il. C'est plutôt une onde. Nous avons donc observé cette onde, de la même manière qu'à l'hôpital on reconstitue l'intérieur du corps à l'aide d'un tomographe.»

    À quoi bon ?

    Étonnamment, lorsqu'on lui demande à quoi servira sa caméra attoseconde, le chercheur ne sait trop que répondre, hormis le fait qu'elle permettra d'assouvir la curiosité des physiciens et des chimistes. Toutefois, poursuit-il, nous ne som-mes qu'au début de l'application de cette technique, un peu comme nous l'étions avec les premiers appareils photo, dans les années 1800. «Qui sait ce que nous ferons dans cinquante ans?», commence-t-il par dire, avant d'enchaîner avec une foule d'idées. En tout premier lieu, l'attophysicien espère bientôt parvenir à filmer les atomes en mouvement, à observer, par exemple, comment se produit une réaction chimique.

    «Rappelez-vous les premiers films, dit-il. Ils étaient un peu "insipides", montrant quelque chose comme un homme traversant la rue.» Évidemment, on a ensuite filmé des choses beaucoup plus intéressantes, comme le trot d'un cheval afin de déterminer s'il arrive que les quatre pattes du cheval soient toutes en l'air en même temps. On a par la suite filmé les mouvements des athlètes, le vol des oiseaux, etc.

    Il est en fait étonnant de penser qu'on observe les composantes de l'Univers — les galaxies, les amas galactiques et même les origines de l'Univers — depuis un siècle, alors qu'on n'a encore rien vu de ce qui se passe au niveau atomique. Pour l'heure, tout se passe comme si nos chimistes et physiciens déduisaient ce qui s'y passe à la manière d'un enfant qui, en examinant la montre de son grand-père, essayait de déduire le fonctionnement des engrenages...

    ***

    Collaborateur du Devoir












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