De Sherbrooke à Berlin - Quand le temps se mesure en attosecondes

Les recherches sur les asymétries des langues naturelles pourraient aider les personnes souffrant de problèmes de langage liées à des lésions cérébrales (comme l’Alzheimer) ou des retards d’apprentissage.
Photo: Agence Reuters Les recherches sur les asymétries des langues naturelles pourraient aider les personnes souffrant de problèmes de langage liées à des lésions cérébrales (comme l’Alzheimer) ou des retards d’apprentissage.

Au coeur d'une des feuilles encore vertes d'un érable de votre rue, à une échelle infiniment petite, à la vitesse de la lumière, un photon venu tout droit du Soleil frappe la chlorophylle, dans une des milliers de cellules du végétal. Le pigment capture l'énergie du Soleil: il absorbe le photon, la particule élémentaire de la lumière. Le photon, lors du choc, expulse un de ses électrons. Il voyagera dans la cellule de la feuille et, d'énergie lumineuse, il deviendra une énergie chimique, le moteur de la vie de notre érable. Et si on pouvait contrôler cet électron?

Cet électron qui voyage de la lumière du Soleil jusque dans une cellule végétale et qui participe à ce qu'on appelle la photosynthèse a inspiré le chercheur André Bandrauk, un des fondateurs de la nouvelle science de l'attoseconde (soit 10-18 seconde, soit 10 suivi de 18 zéros!). À Berlin justement, où Le Devoir l'a rejoint par téléphone, les arbres commençaient à perdre leurs feuilles, avec quelques semaines de retard sur le Québec. «La lumière fait bouger les électrons, qui se promènent ensuite jusqu'au centre de réaction dans la cellule de la feuille. Ce n'est pas très efficace, en fait, déclare le physicien à l'autre bout du fil. Je me suis demandé: est-ce qu'on ne pourrait pas accélérer ça?»

Grâce à une bourse de la Fondation Humboldt, le Québécois d'origine allemande navigue entre Berlin et Sherbrooke, où se situe son laboratoire, pendant un an. Il collabore avec l'Université de Berlin, qui vient de lui décerner un doctorat honorifique, mais aussi avec l'Institut Max-Planck. «On fait de la simulation par ordinateur, alors peu importe où je suis dans le monde... on avance! Berlin est très stimulant, beaucoup de conférenciers passent par ici, on échange des idées, on se critique, on évolue!», dit celui qui est débarqué au Québec avec sa mère, à l'âge de dix ans.

Le «Soleil» du titulaire de la Chaire de recherche du Canada en chimie computationnelle et photonique moléculaire, c'est un laser hyperpuissant. «Je me demandais si j'arriverais à contrôler le mouvement des électrons en les éclairant avec un faisceau laser, explique son fidèle collaborateur, Paul Corkum. J'ai donc entrepris de produire de très brèves impulsions avec un laser au CO2.»

Les physiciens utilisent des éclairs de lumière infiniment rapides, de l'ordre de l'attoseconde — l'éclair le plus bref jamais émis est de 80 attosecondes. L'attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde. Elle est un milliard de fois plus courte qu'une nanoseconde. «On excite une molécule avec le laser, tellement que, lorsque le flash de lumière du laser l'atteint, elle émet, comme une luciole, un flash encore plus rapide que le mouvement de l'électron.» Si aujourd'hui les molécules excitées dans les laboratoires sont assez simples — oxygène, azote — le chercheur annonce que, sous peu, on pourra étudier des molécules organiques, à la base de la vie.

Un électron fait le tour du noyau en 150 attosecondes. Plus rapides encore, les impulsions laser de l'ordre de l'attoseconde permettent de photographier pour la première fois un électron en mouvement!

Le Saint-Graal

Rejoint à Berlin, André Bandrauk est intarissablement enthousiaste: «C'est le Saint-Graal de la chimie et de la biologie, de voir ce que l'électron fait!» Il n'est pas le seul à le penser: en mai dernier, le Conseil national de recherches du Canada (CNRC) lui a décerné, ainsi qu'à son fidèle collaborateur, Paul Corkum, de l'Université d'Ottawa, le prix John C. Polanyi pour leur contribution exceptionnelle à la nouvelle science de l'attoseconde.

Comment est née cette retombée féconde de la physique? Tout commence en 1981. Se basant entre autres sur les travaux du Prix Nobel Ahmed Zewil, Corkum et Bandrauk publient leur premier article sur les impulsions laser très courtes et très intenses. À travers le monde, l'intérêt pour le comportement des molécules dans un courant très intense est né. «On a ensuite démontré que l'impulsion entraîne la molécule à émettre un flash à son tour, raconte André Bandrauk. Je simulais le tout sur ordinateur, Corkum complétait les manipulations en labo: nous sommes une équipe complémentaire.»

Puis, en 2002, l'équipe démontre qu'on peut photographier un électron. «Aujourd'hui, on peut créer une impulsion laser très courte pour le contrôler. L'électron est partout dans une molécule, c'est pour cette raison que les réactions chimiques sont imparfaites et que les maladies apparaissent.»

Selon André Bandrauk, c'est une révolution. Il croit que la découverte de l'ADN est la plus grande des 50 dernières années. «Les erreurs existent justement dans l'ADN à cause des électrons qui sautent d'un côté ou de l'autre de l'hélice. La transmission d'informations se fait par transfert d'électrons. Imaginez si nous pouvons maintenant les voir et les contrôler!»

Il estime que deux technologies vont bouleverser la science: l'ordinateur et le laser. Pas étonnant qu'il ait combiné les deux. À Noël, son laboratoire recevra un cadeau inestimable: un superordinateur de 8000 processeurs, soit quatre fois plus puissant que l'actuel superordinateur de l'Université de Sherbrooke, déjà parmi les plus rapides au Canada.

Cinéaste moléculaire

Après la photographie, André Bandrauk veut se faire cinéaste. Selon lui, d'ici deux ou trois ans, le film moléculaire mettant en vedette l'électron dans son nuage électronique autour du noyau prendra l'affiche sur l'écran de l'ordinateur de son laboratoire.

Aussi, il souhaite créer la première équipe de recherche canadienne sur la science attoseconde en rassemblant son ancien étudiant François Légaré, maintenant professeur à l'INRS, ainsi que Bernd Witzel et Thanh-Tung Nguyen-Dang, chercheurs de l'université Laval.

En France, le scientifique Gérard Moreau aspire à enfanter le laser le plus puissant du monde, rapporte André Bandrauk. «Si on donne une impulsion laser dans le vide, on croit que le vide se sépare en matière et antimatière. On peut créer un nouveau monde, c'est alléchant, il y a quelque chose dans le vide!»

Aussi, c'est une voie d'avenir pour la production d'énergie nucléaire. Un laser intense fait vibrer les molécules qui se rapprochent comme un accordéon, les noyaux se rapprochent: c'est la fusion nucléaire. «C'est une façon plus simple de créer de l'énergie atomique sans accélérateur de particules.» Bref, après le nano et le femto, l'atto: chaque fois que la science s'est attardée à une nouvelle échelle, un monde de possibilités infinies s'est ouvert.

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Collaboratrice du Devoir
5 commentaires
  • François Legault - Inscrit 25 octobre 2008 04 h 47

    attoseconde

    Dans votre texte, vous décrivez ainsi une attoseconde: « 10-18 seconde, soit 10 suivi de 18 zéros!», ou 10000000000000000000 secondes. Or une attoseconde est la fraction d'une seconde, 10 à la puissance -18 seconde, qui s'exprime en chiffre de la façon suivante: 0,000000000000000001 seconde.
    Placer la virgule à la bonne place fait toute la différence!

  • marcel vinet - Inscrit 25 octobre 2008 10 h 11

    la science,quel monde merveilleux....

    on ose a peine intervenir avec un commentaire tellement c est grand, beau et remplie d espoir pour l humanité souffrante...bravo,continuez au nom de tous les saints qui ont passé sur la terre...vous etes les supers héros de notre génération,des vrais....

  • Guillaume Girard - Inscrit 25 octobre 2008 14 h 51

    Un abus de langage scientifique...

    Vous dites dans votre article: <<Cet électron qui voyage de la lumière du Soleil jusque dans une cellule végétale...>>

    Il est évidemment faux de prétendre que c'est l'électron qui voyage de la lumière du soleil jusque dans la cellule végétale. Seul le photon peut effectuer ce voyage... Qui lui sera absorbé au niveau des pigments de la plante (chlorophylles, caroténoïdes et phycoérythrobiline) dans le processus de la photosynthèse qui entraînera une cascade d'électrons vers la production d'énergie assimilable par les processus biologiques de la plante.

    Cela dit le domaine de l'attoseconde et ses applications semblent très prometteurs pour mieux comprendre et diriger les phénomènes intimes au sein des atomes, des molécules et des interactions chimiques et physiques qui leur sont propres.

    Guillaume Girard, biologiste, microbiologiste

  • Guillaume Girard - Inscrit 25 octobre 2008 19 h 25

    En effet Monsieur Legault

    En effet Monsieur Legault
    Vous voyez juste!

    Pour ce qui est de Monsieur Robert C. Paradis qui s'entretient de la pseudo-science de Monsieur Lafrenière, c'est une autre chose.

  • Guillaume Girard - Inscrit 28 octobre 2008 03 h 43

    @Monsieur René Roy

    Je m'excuse Monsieur Roy mais je maintiens mon point!

    Mais cela n'enlève en rien à l'intérêt que je porte pour cet article et pour la recherche dont il découle. Il aurait mieux valu écrire <<cet électron qui voyage dans la cellule végétale à partir de la lumière solaire>>, et non pas, <<Cet électron qui voyage de la lumière du Soleil jusque dans une cellule végétale>>. Il y a une nuance, mais elle est à mon sens importante au niveau conceptuel.


    Guillaume Girard