La technique permettant d'observer le monde ultrarapide des électrons remporte le prix Nobel de physique 2023.

Les aperçus du monde ultrarapide des électrons changent la vision des scientifiques sur le fonctionnement interne des atomes et des molécules. Le prix Nobel de physique 2023 récompense trois physiciens qui ont illuminé ce domaine avec des impulsions lumineuses ultracourtes, a annoncé l'Académie royale des sciences de Suède le 3 octobre.

Les physiciens Pierre Agostini, Ferenc Krausz et Anne L'Huillier se partageront le prix de 11 millions de couronnes suédoises (environ 1 million de dollars), décerné « pour les méthodes expérimentales générant des impulsions lumineuses attosecondes pour l'étude de la dynamique électronique dans la matière ».

Au sein des atomes et des molécules, les électrons se déplacent à des vitesses extrêmes. Capturer leurs allers-retours n’est possible qu’avec des impulsions lumineuses extrêmement courtes. Cela s’apparente à un flash d’appareil photo qui ne dure que quelques attosecondes, ou des milliardièmes de milliardième de seconde.

Les humains s'efforcent depuis longtemps de mesurer les processus avec une précision croissante, explique Peter Armitage, physicien à l'Université Johns Hopkins. "Avec l'avènement des lasers, les délais de mesure sont devenus de plus en plus courts [parce que] vous le faites avec des impulsions lumineuses ultrarapides."

Au fil des décennies, les chercheurs ont perfectionné la capacité de créer de tels éclats de lumière quasi instantanés (SN : 12/03/10). Dans les années 1980, L’Huillier, aujourd’hui à l’Université de Lund en Suède, a remarqué que la lumière laser infrarouge envoyée à travers un gaz créait une lumière d’une variété de longueurs d’onde, ce qu’on appelle la génération d’harmoniques élevées. Cet effet résulte de la façon dont cette lumière interagit avec les électrons du gaz, par un processus que les recherches de L’Huillier ont contribué à clarifier.

Ces autres longueurs d'onde, appelées harmoniques ou harmoniques, sont similaires aux harmoniques qui contribuent à donner aux instruments de musique leurs sons distinctifs. L’addition des bonnes combinaisons d’harmoniques donne lieu à des impulsions lumineuses très courtes. Avec cette méthode, des chercheurs dirigés par Agostini, aujourd'hui à l'Ohio State University à Columbus, ont produit en 2001 une série d'impulsions lumineuses, dont chacune ne durait que 250 attosecondes. La même année, Krausz, maintenant à l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching, en Allemagne, et ses collègues ont créé des impulsions uniques d'une durée de seulement 650 attosecondes. Aujourd’hui, les scientifiques peuvent produire des impulsions beaucoup plus courtes, de plusieurs dizaines d’attosecondes.

«J'ai été personnellement fasciné par ce domaine dès le début, et c'est pourquoi j'ai continué dans ce domaine pendant de très nombreuses années», a déclaré L'Huillier lors d'un appel téléphonique lors de l'annonce. L’Huillier n’est que la cinquième femme à recevoir le Nobel de physique. "Il n'y a pas beaucoup de femmes qui reçoivent ce prix, donc c'est très, très spécial", a-t-elle déclaré.

Les scientifiques ont utilisé cette technique pour explorer le comportement des électrons à l’intérieur des atomes et des molécules. Par exemple, la technique a révélé l’échelle de temps de l’effet photoélectrique, dans lequel la lumière fait sortir un électron d’un atome, et les détails de l’effet tunnel quantique, dans lequel les électrons traversent des barrières qui semblent insurmontables (SN : 7/6/17).

La technique révèle également le comportement des molécules. "Vous pouvez observer les mouvements des molécules elles-mêmes, essentiellement pour réaliser des films de mouvements moléculaires", explique Armitage. « Et cela présente un grand intérêt pour toutes sortes de choses : pour [tout ce qui va de] comprendre pourquoi certains matériaux sont supraconducteurs à haute température jusqu'aux applications photovoltaïques, en passant par la récupération de l'énergie de la lumière…. Je pense que c’est vraiment juste au début.

Robert Rosner, physicien théoricien à l'Université de Chicago, affirme qu'une des applications consiste à concevoir des matériaux à partir de zéro. « La chimie concerne la façon dont les électrons… interagissent les uns avec les autres », dit-il. « C’est comme construire une maison : il faut savoir ce qui se passe en premier et quelle est la prochaine étape. » Mais dans ce cas, vous souhaitez suivre ce que font les électrons lors de la synthèse chimique, ce que peuvent faire des impulsions lumineuses ultracourtes. "Cela ouvre vraiment une toute nouvelle façon de penser sur la façon dont nous fabriquons réellement des choses."

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