La dynamique des électrons au sein des atomes et des molécules est extrêmement rapide (ordre de grandeur: l'attoseconde, soit 10^-18 s). Un moyen d'étudier ces phénomènes consiste à utiliser des impulsions de lumière ultra-brèves, uniques et bien caractérisées à cette échelle de temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent pour...). Grâce à la démonstration (En mathématiques, une démonstration est un raisonnement qui permet, à partir de certains axiomes, d'établir qu'une assertion est nécessairement vraie.) réalisée par les chercheurs du CEA-IRAMIS (1) et du Laboratoire d'Optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière et de ses relations avec la vision.) Appliquée (CNRS/ENSTA-Paris Tech/École polytechnique), il est possible de disposer aujourd'hui d'une source de lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 micron (380 nm à 780...) particulièrement bien adaptée pour de telles recherches sur le comportement de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. Elle occupe de l'espace...). Ces résultats sont publiés dans Nature Photonics, le 1er décembre 2012.

L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) électronique extrêmement rapide au cœur des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) ou des molécules nécessite l'utilisation d'impulsions dans le domaine attoseconde, permettant de réaliser des expériences de type "pompe-sonde", où une première impulsion vient exciter le système, et une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc...) observer l'effet de cette excitation, après un délai variable.

La méthode actuelle et ses limites

De telles impulsions ne peuvent être générées par les technologies usuelles de l'optique laser. Le seul moyen démontré à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...) pour atteindre d'aussi courtes durées, utilise l'interaction d'impulsions laser femtosecondes (10^-15 s) ultra-intenses avec la matière: en interagissant avec la cible, cette impulsion se déforme, ce qui permet d'obtenir une succession d'impulsions de quelques dizaines d'attosecondes chacune (fig.1). Ces impulsions temporellement très proches, sont difficilement exploitables pour des expérimentations, et depuis une dizaine d'années, différentes méthodes ont été proposées pour extraire une impulsion attoseconde unique.

L'innovation apportée par l'étude

Pour produire des impulsions attoseconde isolées, la nouvelle idée des scientifiques, plus simple et plus facilement exploitable, a été de disperser spatialement la succession d'impulsions, à la manière du faisceau de lumière d'un phare. L'émission de chaque impulsion attoseconde se produit ainsi dans une direction légèrement différente, permettant d'obtenir une série d'impulsions attoseconde bien distinctes par leur direction de propagation.

Loin de la cible solide, les impulsions attoseconde successives sont bien distinctes et leur espacement de plusieurs millimètres, permet de les isoler les unes des autres.

Le principe de cette nouvelle approche, proposé initialement par l'équipe de l'IRAMIS, a d'abord été validé théoriquement par des simulations numériques, réalisées avec les moyens de calcul du GENCI (Grand équipement national de calcul intensif). La démonstration expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de recherche basées sur des...) a ensuite été effectuée au Laboratoire d'Optique Appliquée (École polytechnique-CNRS-ENSTA-ParisTech) sur une chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) laser délivrant des impulsions proches du cycle optique à très haute cadence, grâce à une très étroite collaboration entre les deux laboratoires.

L'effet observé ouvre de nouvelles perspectives pour la jeune science (La science (du latin scientia, connaissance) relève Historiquement de l'activité philosophique, et fut pendant longtemps un exercice spéculatif visant à élucider les mystères du monde par l'exercice de la...) attoseconde, en plein développement depuis 10 ans. En permettant d'obtenir, à partir d'une seule impulsion laser, plusieurs impulsions attoseconde isolées, sous forme de faisceaux bien séparés angulairement et parfaitement synchrones, les "phares" attoseconde constituent des sources de lumière idéales pour de futures expériences pompe-sonde visant à étudier la dynamique électronique dans la matière.



Notes:

(1) Institut Rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple :...) Matière de Saclay


Références:

- Attosecond lighthouses from plasma ( En physique, le plasma décrit un état de la matière constitué de particules chargées (d'ions et d'électrons). Le plasma quark-gluon est un plasma qui constituerait les grandes étoiles à...) mirrors, Jonathan A. Wheeler, Antonin Borot, Sylvain Monchocé, Henri Vincenti, Aurélien Ricci, Arnaud Malvache, Rodrigo Lopez-Martens et Fabien Quéré, Nature Photonics, DOI: 10.1038/NPHOTON.2012.284,

- Attosecond lighthouses: How to use spatio-temporally coupled light fields to generate isolated attosecond pulses, H. Vincenti et F.Quéré, Phys. Rev. Lett. 108 (2012) 113904.