Université de Sherbrooke - Le seigneur des attos
André Dieter Bandrauk aura accès à un ordinateur aux 30 000 processeurs
En 1987, Eadweard Muybridge a photographié un cheval au galop en captant des images à la vitesse de 6 millisecondes. Aujourd'hui, grâce à des impulsions au laser de l'ordre du milliardième de milliardième de seconde, les scientifiques peuvent visualiser les électrons et rêvent de contrôler les réactions chimiques. André Dieter Bandrauk, de l'Université de Sherbrooke, est l'un des théoriciens fondateurs de cette nouvelle «science de l'attoseconde».
L'attoseconde est à la seconde ce que la seconde est à l'âge de l'Univers. C'est à cette échelle de temps, en 152 attosecondes, que les électrons gravitent autour des atomes. Pour espérer les visualiser, il faut un tir laser tout aussi rapide. Le hic, c'est qu'il n'existe aucune machine assez puissante pour cela.
Pourtant, des scientifiques autrichiens y sont parvenus pour la première fois en 2001. Comment? En utilisant un laser femtoseconde (10-15 seconde). C'est ce type de laser qui pour l'instant atteint les plus hautes intensités.
«Dans les années 1980, les travaux d'Anne L'Huillier, au Cen-tre d'énergie atomique à Paris, ont démontré que, lorsqu'on soumet un atome à un laser de très haute intensité, ses électrons sont accélérés et l'atome émet alors de la lumière blanche, exactement comme une étoile», explique André Dieter Bandrauk, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en chimie computationnelle et photonique à l'Université de Sherbrooke.
Pas plus tard que cette année, son collègue Paul Corkum, de l'Université d'Ottawa, a trouvé pourquoi: quand le champ de l'onde laser est maximal, l'électron est repoussé au plus loin de l'atome. Quand il est négatif, l'électron revient à l'atome, et le surplus d'énergie emmagasiné par son accélération est évacué par l'émission de toute une gamme d'ondes électromagnétiques, qu'on appelle les harmoniques.
C'est en prenant les fréquences harmoniques les plus courtes qu'on peut récupérer assez d'énergie pour générer une impulsion attoseconde. Dans le monde, les laboratoires qui y parviennent se comptent sur les doigts d'une main. «Au Québec, les travaux de François Légaré, à l'Institut national de la recherche scientifique, nous donnent de bonnes chances d'être les suivants», prédit M. Bandrauk. Peut-être battrons-nous le record de l'impulsion la plus courte, détenu depuis cette année par le Coréen Dong Hyuk Ko: 63 attosecondes! Une vitesse suffisamment rapide pour visualiser le mouvement des électrons.
Contrôler les électrons
Au-delà de la possibilité de voir le ballet des électrons autour des atomes et des molécules, les attoboys (comme les surnomme le journal The Economist) rêvent de les diriger... et surtout de contrôler les réactions chimiques!
En Allemagne, par exemple, Eleftherios Goulielmakis aimerait optimiser la photosynthèse. «Ce qui est surprenant, constate M. Bandrauk, c'est que, dans une cellule végétale, il y a un endroit où l'énergie solaire est absorbée par des électrons et, après une picoseconde, ces électrons sautent à un autre endroit, qu'on appelle le centre photoréactif. C'est là que l'eau se combine au dioxyde de carbone pour former du sucre.»
Un mystère qui intrigue notre théoricien de la chimie au plus haut point. Car, dans les années 1980, c'est André Dieter Bandrauk qui a effectué les premiers calculs sur le comportement des molécules soumises à de très hautes intensités au laser. Ces travaux font de lui l'un des pères fondateurs de la science attoseconde et lui ont valu le prix Marie-Victorin en 2010. «Je me suis tout de suite penché sur les molécules, qui sont plus intéressantes que les atomes, car elles sont la source de la vie! Les physiciens n'aiment pas trop les étudier, car il arrive toutes sortes de réactions quand on les place dans un instrument», dit-il.
Saisir l'onde
Pas si facile, en effet! «La difficulté, c'est que l'électron est partout au même moment», souligne M. Bandrauk. Car l'électron ne se comporte pas comme une particule, mais comme une onde régie par les lois de la mécanique quantique! «C'est comme quand on jette un caillou dans l'eau: l'onde est partout, illustre le chercheur. Si les chimistes n'obtiennent jamais un produit pur mais un mélange de toutes sortes de produits, c'est parce que l'électron est délocalisé dans la molécule et se trouve sur plusieurs atomes à la fois en même temps!»
Une équipe néérlandaise est arrivée à relocaliser sur un seul atome un électron partagé entre deux atomes. Pour cela, elle a excité l'électron pour que son orbite devienne de plus en plus grande et, par là même, que sa liaison chimique devienne de plus en plus faible. À un certain point, la distance entre les deux atomes est devenue trop grande et l'électron est resté sur un seul des deux.
Selon M. Bandrauk, on peut aller plus loin: «Nous, ce qu'on propose maintenant, c'est qu'avec des impulsions au laser on peut mettre l'électron n'importe où dans une molécule.»
L'idée est de sculpter la forme de l'impulsion au laser pour optimiser le rendement. «On va jouer sur les fréquences harmoniques utilisées, la forme de l'onde laser, les intensités...»
Pas de laser, mais des ordinateurs
Comme il existe très peu de lasers capables de créer des pulsions en attosecondes pour vérifier les hypothèses, M. Band-rauk modélise les paramètres à l'aide de puissants algorithmes mathématiques. Le chimiste fait d'ailleurs partie du groupe de mathématiques avancées de l'Université de Montréal.
À l'été, il disposera d'un nouveau joujou: l'un des ordinateurs les plus puissants du Canada, avec 30 000 processeurs répartis sur autant de PC. Et, grâce à l'octroi d'une importante subvention de la Fondation canadienne pour l'innovation et du ministère du Développement économique, de l'Innovation et de l'Exportation, M. Bandrauk aura aussi son centre de modélisation et visualisation d'imagerie moléculaire (MOVIE). «C'est une véritable salle de cinéma moléculaire, s'enthousiasme-t-il. Ça va révolutionner l'enseignement universitaire, car rien ne bougeait auparavant! Maintenant, on va pouvoir enfin montrer aux étudiants la dynamique à l'intérieur des molécules à l'échelle femto et atto!»
Grâce à ces infrastructures et à sa persévérance, M. Band-rauk espère un jour réaliser son plus grand rêve: «Je veux développer un laser qui va permettre à un médecin de réparer une molécule.»
L'ADN? On a le droit de rêver, car la nature, elle, le fait déjà...
***
Collaborateur du Devoir
L'attoseconde est à la seconde ce que la seconde est à l'âge de l'Univers. C'est à cette échelle de temps, en 152 attosecondes, que les électrons gravitent autour des atomes. Pour espérer les visualiser, il faut un tir laser tout aussi rapide. Le hic, c'est qu'il n'existe aucune machine assez puissante pour cela.
Pourtant, des scientifiques autrichiens y sont parvenus pour la première fois en 2001. Comment? En utilisant un laser femtoseconde (10-15 seconde). C'est ce type de laser qui pour l'instant atteint les plus hautes intensités.
«Dans les années 1980, les travaux d'Anne L'Huillier, au Cen-tre d'énergie atomique à Paris, ont démontré que, lorsqu'on soumet un atome à un laser de très haute intensité, ses électrons sont accélérés et l'atome émet alors de la lumière blanche, exactement comme une étoile», explique André Dieter Bandrauk, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en chimie computationnelle et photonique à l'Université de Sherbrooke.
Pas plus tard que cette année, son collègue Paul Corkum, de l'Université d'Ottawa, a trouvé pourquoi: quand le champ de l'onde laser est maximal, l'électron est repoussé au plus loin de l'atome. Quand il est négatif, l'électron revient à l'atome, et le surplus d'énergie emmagasiné par son accélération est évacué par l'émission de toute une gamme d'ondes électromagnétiques, qu'on appelle les harmoniques.
C'est en prenant les fréquences harmoniques les plus courtes qu'on peut récupérer assez d'énergie pour générer une impulsion attoseconde. Dans le monde, les laboratoires qui y parviennent se comptent sur les doigts d'une main. «Au Québec, les travaux de François Légaré, à l'Institut national de la recherche scientifique, nous donnent de bonnes chances d'être les suivants», prédit M. Bandrauk. Peut-être battrons-nous le record de l'impulsion la plus courte, détenu depuis cette année par le Coréen Dong Hyuk Ko: 63 attosecondes! Une vitesse suffisamment rapide pour visualiser le mouvement des électrons.
Contrôler les électrons
Au-delà de la possibilité de voir le ballet des électrons autour des atomes et des molécules, les attoboys (comme les surnomme le journal The Economist) rêvent de les diriger... et surtout de contrôler les réactions chimiques!
En Allemagne, par exemple, Eleftherios Goulielmakis aimerait optimiser la photosynthèse. «Ce qui est surprenant, constate M. Bandrauk, c'est que, dans une cellule végétale, il y a un endroit où l'énergie solaire est absorbée par des électrons et, après une picoseconde, ces électrons sautent à un autre endroit, qu'on appelle le centre photoréactif. C'est là que l'eau se combine au dioxyde de carbone pour former du sucre.»
Un mystère qui intrigue notre théoricien de la chimie au plus haut point. Car, dans les années 1980, c'est André Dieter Bandrauk qui a effectué les premiers calculs sur le comportement des molécules soumises à de très hautes intensités au laser. Ces travaux font de lui l'un des pères fondateurs de la science attoseconde et lui ont valu le prix Marie-Victorin en 2010. «Je me suis tout de suite penché sur les molécules, qui sont plus intéressantes que les atomes, car elles sont la source de la vie! Les physiciens n'aiment pas trop les étudier, car il arrive toutes sortes de réactions quand on les place dans un instrument», dit-il.
Saisir l'onde
Pas si facile, en effet! «La difficulté, c'est que l'électron est partout au même moment», souligne M. Bandrauk. Car l'électron ne se comporte pas comme une particule, mais comme une onde régie par les lois de la mécanique quantique! «C'est comme quand on jette un caillou dans l'eau: l'onde est partout, illustre le chercheur. Si les chimistes n'obtiennent jamais un produit pur mais un mélange de toutes sortes de produits, c'est parce que l'électron est délocalisé dans la molécule et se trouve sur plusieurs atomes à la fois en même temps!»
Une équipe néérlandaise est arrivée à relocaliser sur un seul atome un électron partagé entre deux atomes. Pour cela, elle a excité l'électron pour que son orbite devienne de plus en plus grande et, par là même, que sa liaison chimique devienne de plus en plus faible. À un certain point, la distance entre les deux atomes est devenue trop grande et l'électron est resté sur un seul des deux.
Selon M. Bandrauk, on peut aller plus loin: «Nous, ce qu'on propose maintenant, c'est qu'avec des impulsions au laser on peut mettre l'électron n'importe où dans une molécule.»
L'idée est de sculpter la forme de l'impulsion au laser pour optimiser le rendement. «On va jouer sur les fréquences harmoniques utilisées, la forme de l'onde laser, les intensités...»
Pas de laser, mais des ordinateurs
Comme il existe très peu de lasers capables de créer des pulsions en attosecondes pour vérifier les hypothèses, M. Band-rauk modélise les paramètres à l'aide de puissants algorithmes mathématiques. Le chimiste fait d'ailleurs partie du groupe de mathématiques avancées de l'Université de Montréal.
À l'été, il disposera d'un nouveau joujou: l'un des ordinateurs les plus puissants du Canada, avec 30 000 processeurs répartis sur autant de PC. Et, grâce à l'octroi d'une importante subvention de la Fondation canadienne pour l'innovation et du ministère du Développement économique, de l'Innovation et de l'Exportation, M. Bandrauk aura aussi son centre de modélisation et visualisation d'imagerie moléculaire (MOVIE). «C'est une véritable salle de cinéma moléculaire, s'enthousiasme-t-il. Ça va révolutionner l'enseignement universitaire, car rien ne bougeait auparavant! Maintenant, on va pouvoir enfin montrer aux étudiants la dynamique à l'intérieur des molécules à l'échelle femto et atto!»
Grâce à ces infrastructures et à sa persévérance, M. Band-rauk espère un jour réaliser son plus grand rêve: «Je veux développer un laser qui va permettre à un médecin de réparer une molécule.»
L'ADN? On a le droit de rêver, car la nature, elle, le fait déjà...
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Collaborateur du Devoir
