Un trio remporte le prix Nobel de physique pour un aperçu furtif du monde super rapide de la rotation des électrons.

3 octobre 2023

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par DAVID KEYTON et MIKE CORDER

Trois scientifiques ont remporté le prix Nobel de physique mardi pour nous avoir offert le premier aperçu éclair dans le monde ultra-rapide des électrons en rotation, un domaine qui pourrait un jour conduire à de meilleures électroniques ou à des diagnostics de maladies.

Le prix a été décerné à la physicienne franco-suédoise Anne L'Huillier, au scientifique français Pierre Agostini et au hongrois Ferenc Krausz pour leurs travaux sur la minuscule partie de chaque atome qui tourne autour de son centre et qui est fondamentale pour pratiquement tout : la chimie, la physique, nos corps et nos gadgets.

Les électrons se déplacent si rapidement qu'ils étaient hors de portée des efforts humains pour les isoler, mais en examinant la fraction de seconde la plus petite possible, les scientifiques ont maintenant un aperçu "flou" d'eux, ce qui ouvre tout un nouveau champ des sciences, ont déclaré les experts.

"Les électrons sont très rapides et ce sont eux qui font le travail partout", a déclaré Mats Larsson, membre du comité Nobel. "Une fois que vous pouvez contrôler et comprendre les électrons, vous avez fait un très grand pas en avant."

L'Huillier, de l'université de Lund en Suède, est la cinquième femme à recevoir un prix Nobel de physique.

"Pour toutes les femmes, je dis si vous êtes intéressées, si vous avez un peu de passion pour ce type de défis, alors foncez", a-t-elle déclaré à l'Associated Press.

Les scientifiques, qui ont travaillé séparément, ont utilisé des impulsions laser de plus en plus rapides pour capturer l'action atomique qui se produisait à des vitesses étourdissantes - un milliardième de milliardième de seconde, connu sous le nom d'attoseconde - un peu comme les photographes utilisent des obturations rapides pour capturer un colibri en train de se nourrir.

À quelle vitesse est-ce ?

"Prenons une seconde, qui est la durée d'un battement de cœur", a déclaré Eva Olsson, présidente du comité Nobel. Pour atteindre le royaume de l'attoseconde, il faudrait diviser cela par 1 000 six fois.

Le physicien Mark Pearce, membre du comité Nobel, a déclaré qu'il y avait "autant d'attosecondes dans une seconde qu'il y a de secondes écoulées depuis le Big Bang, il y a 13,8 milliards d'années".

Mais même lorsque les scientifiques "voient" l'électron, ils ne peuvent en voir que certaines caractéristiques.

"Vous pouvez voir s'il est d'un côté de la molécule ou de l'autre", a déclaré L'Huillier, 65 ans. "C'est encore très flou."

"Les électrons ressemblent beaucoup plus à des ondes, à des ondes d'eau, qu'à des particules, et ce que nous essayons de mesurer avec notre technique, c'est la position de la crête des ondes", a-t-elle ajouté.

Les électrons sont essentiels car c'est ainsi que les atomes se lient entre eux, a déclaré L'Huillier. C'est là que se produisent les réactions chimiques.

"Les électrons sont, même si nous ne pouvons pas les voir, omniprésents dans notre vie - notre vie biologique et aussi notre vie technique, dans notre vie quotidienne", a déclaré Krausz lors d'une conférence de presse. "Dans notre vie biologique, les électrons forment l'adhésif entre les atomes, avec lesquels ils forment des molécules, et ces molécules sont ensuite les plus petites briques fonctionnelles de chaque organisme vivant."

Et si vous voulez comprendre comment ils fonctionnent, vous devez savoir comment ils se déplacent, a déclaré Krausz.

Pour le moment, cette science vise à comprendre notre univers, mais l'espoir est qu'elle finira par avoir des applications pratiques dans l'électronique, le diagnostic des maladies et la chimie fondamentale.

L'Huillier a déclaré que son travail montre à quel point il est important de travailler sur la science fondamentale, quelles que soient les applications futures : elle y a consacré 30 ans avant que des utilisations réelles ne deviennent plus évidentes.

L'Huillier enseignait la physique de l'ingénierie de base à une centaine d'étudiants de premier cycle à Lund lorsqu'elle a reçu l'appel lui annonçant qu'elle avait gagné, mais son téléphone était en mode silencieux et elle n'a pas répondu. Elle l'a vérifié pendant une pause et a appelé le comité Nobel.

Ensuite, elle est retournée enseigner.

"J'étais très concentrée, j'ai oublié le prix Nobel et j'ai essayé de terminer mon cours", a-t-elle déclaré à l'AP. Elle a terminé le cours un peu plus tôt pour pouvoir parler lors de la conférence de presse annonçant le prix à l'Académie royale suédoise des sciences à Stockholm.

"C'est le plus prestigieux et je suis tellement heureuse de recevoir ce prix. C'est incroyable", a-t-elle déclaré lors de la conférence de presse. "Comme vous le savez, il n'y a pas beaucoup de femmes qui ont obtenu ce prix, alors c'est très spécial."

L'organisation Nobel a publié une photo de L'Huillier sur les réseaux sociaux tenant un téléphone portable à son oreille.

"Alerte enseignante dévouée !", indiquait la publication sur X, anciennement Twitter. "Même le prix Nobel de physique 2023 n'a pas pu éloigner Anne L'Huillier de ses étudiants."

Et L'Huillier a déclaré que parce que le prix était un secret à l'époque, elle n'était pas autorisée à dire aux étudiants ce qui s'était passé, mais elle a dit qu'ils ont deviné.

Agostini, professeur émérite à l'Université d'État de l'Ohio, était à Paris et n'a pas pu être joint par le Comité Nobel avant qu'il n'annonce sa victoire au monde.

'Je n'ai pas reçu d'appel téléphonique du comité. Peut-être que ce n'est pas vrai. Je ne sais pas,' a-t-il déclaré à l'AP, en riant. 'Je pense que le comité me cherche à Columbus.'

'Il y a certainement des personnes plus jeunes qui l'auraient apprécié bien plus que moi,' a plaisanté le professeur de 82 ans. 'C'est bien mais un peu tard pour moi.'

Mais, a-t-il ajouté, 'Je ne pense pas l'avoir mérité plus tôt!'

Krausz, de l'Institut Max-Planck d'optique quantique et de l'Université Ludwig-Maximilian de Munich, a déclaré aux journalistes qu'il était perplexe.

'J'essaie de comprendre depuis 11 heures... si je suis dans la réalité ou si c'est juste un long rêve,' a déclaré le professeur de 61 ans.

L'appel téléphonique du comité Nobel disait 'numéro masqué' et Krausz ne répond généralement pas à ces appels, mais cette fois-ci, a-t-il dit, 'J'ai pensé que j'allais essayer et ensuite il est devenu clair que je ne peux pas raccrocher si rapidement.'

L'année dernière, Krausz et L'Huillier ont remporté le prestigieux prix Wolf en physique pour leur travail, le partageant avec le scientifique de l'Université d'Ottawa, Paul Corkum. Les prix Nobel sont limités à seulement trois lauréats et Krausz a déclaré que c'était dommage de ne pas pouvoir inclure Corkum.

Corkum a joué un rôle clé dans la mesure des éclairs lasers d'une fraction de seconde, ce qui était crucial, a déclaré Krausz.

Les prix Nobel sont dotés d'une récompense en espèces de 11 millions de couronnes suédoises (1 million de dollars) provenant d'un legs laissé par le créateur du prix, l'inventeur suédois Alfred Nobel.

Le prix de physique intervient un jour après que deux scientifiques ont remporté le prix Nobel de médecine pour des découvertes qui ont permis la création de vaccins à ARNm contre le COVID-19.

L'Académie royale des sciences de Suède a décidé d'attribuer le prix Nobel de physique 2023 à

L'Université d'État de l'Ohio, Columbus, États-Unis

Institut Max-Planck d'optique quantique, Garching et Université Ludwig-Maximilian de Munich, Allemagne

Université de Lund, Suède

'pour des méthodes expérimentales générant des impulsions lumineuses attosecondes pour l'étude de la dynamique électronique dans la matière'

Les trois lauréats du prix Nobel de physique 2023 sont récompensés pour leurs expériences, qui ont donné à l'humanité de nouveaux outils pour explorer le monde des électrons à l'intérieur des atomes et des molécules. Pierre Agostini, Ferenc Krausz et Anne L'Huillier ont mis en évidence un moyen de créer des impulsions lumineuses extrêmement courtes qui peuvent être utilisées pour mesurer les processus rapides au cours desquels les électrons se déplacent ou changent d'énergie.

Les événements qui se déroulent rapidement s'enchaînent les uns aux autres lorsqu'ils sont perçus par les humains, tout comme un film composé d'images fixes est perçu comme un mouvement continu. Si nous voulons étudier des événements vraiment brefs, nous avons besoin d'une technologie spéciale. Dans le monde des électrons, les changements se produisent en quelques dixièmes d'attoseconde - une attoseconde est si courte qu'il y en a autant en une seconde que de secondes depuis la naissance de l'univers.

Les expériences des lauréats ont produit des impulsions lumineuses si courtes qu'elles sont mesurées en attosecondes, démontrant ainsi que ces impulsions peuvent être utilisées pour fournir des images des processus à l'intérieur des atomes et des molécules.

En 1987, Anne L'Huillier a découvert que de nombreux harmoniques différents de lumière se produisaient lorsqu'elle transmettait de la lumière laser infrarouge à travers un gaz noble. Chaque harmonique est une onde lumineuse avec un certain nombre de cycles pour chaque cycle de lumière laser. Ils sont causés par l'interaction de la lumière laser avec les atomes du gaz ; elle donne à certains électrons une énergie supplémentaire qui est ensuite émise sous forme de lumière. Anne L'Huillier a continué à explorer ce phénomène, jetant les bases des percées ultérieures.

En 2001, Pierre Agostini a réussi à produire et à étudier une série d'impulsions lumineuses consécutives, dont chaque impulsion ne durait que 250 attosecondes. En même temps, Ferenc Krausz travaillait avec un autre type d'expérience, qui permettait d'isoler une seule impulsion lumineuse qui durait 650 attosecondes.

Les contributions des lauréats ont permis d'étudier des processus qui étaient si rapides qu'ils étaient auparavant impossibles à suivre.

'Nous pouvons maintenant ouvrir la porte au monde des électrons. La physique attoseconde nous donne l'occasion de comprendre les mécanismes qui sont régis par les électrons. La prochaine étape sera de les utiliser,' déclare Eva Olsson, présidente du comité Nobel de physique.

Il existe des applications potentielles dans de nombreux domaines différents. En électronique, par exemple, il est important de comprendre et de contrôler le comportement des électrons dans un matériau. Les impulsions attosecondes peuvent également être utilisées pour identifier différentes molécules, par exemple dans les diagnostics médicaux.

Grâce à leurs expériences, les lauréats de cette année ont créé des éclairs de lumière suffisamment courts pour prendre des instantanés des mouvements extrêmement rapides des électrons. Anne L'Huillier a découvert un nouvel effet résultant de l'interaction de la lumière laser avec les atomes d'un gaz. Pierre Agostini et Ferenc Krausz ont démontré que cet effet pouvait être utilisé pour créer des impulsions lumineuses plus courtes qu'auparavant.

Un petit colibri peut battre des ailes 80 fois par seconde. Nous ne pouvons percevoir cela que comme un vrombissement et un mouvement flou. Pour les sens humains, les mouvements rapides se confondent et les événements extrêmement brefs sont impossibles à observer. Il faut recourir à des astuces technologiques pour capturer ou représenter ces instants très brefs.

La photographie à grande vitesse et l'éclairage stroboscopique permettent de capturer des images détaillées de phénomènes éphémères. Une photographie très ciblée d'un colibri en vol nécessite un temps d'exposition beaucoup plus court qu'un seul battement d'aile.

Plus l’événement est rapide, plus la photo doit être prise rapidement pour capturer l’instant.

Le même principe s'applique à toutes les méthodes utilisées pour mesurer ou représenter des processus rapides ; toute mesure doit être effectuée plus rapidement que le temps nécessaire au système étudié pour subir un changement notable, sinon le résultat est vague. Les lauréats de cette année ont mené des expériences démontrant une méthode permettant de produire des impulsions lumineuses suffisamment brèves pour capturer des images de processus à l'intérieur des atomes et des molécules.

L'échelle de temps naturelle des atomes est incroyablement courte. Dans une molécule, les atomes peuvent se déplacer et tourner en millionièmes de milliardième de seconde, en femtosecondes. Ces mouvements peuvent être étudiés avec les impulsions les plus courtes pouvant être produites avec un laser, mais lorsque des atomes entiers se déplacent, l'échelle de temps est déterminée par leurs noyaux gros et lourds, qui sont extrêmement lents par rapport aux électrons légers et agiles.

Lorsque les électrons se déplacent à l’intérieur d’atomes ou de molécules, ils le font si rapidement que les changements sont estompés en une femtoseconde. Dans le monde des électrons, les positions et les énergies changent à des vitesses comprises entre une et quelques centaines d'attosecondes, une attoseconde équivalant à un milliardième de milliardième de seconde.

Une attoseconde est si courte que leur nombre en une seconde est le même que le nombre de secondes écoulées depuis la création de l'univers, il y a 13,8 milliards d'années. À une échelle plus comparable, nous pouvons imaginer qu’un éclair de lumière soit envoyé d’un bout d’une pièce au mur opposé – cela prend dix milliards d’attosecondes.

La femtoseconde a longtemps été considérée comme la limite des éclairs lumineux qu’il était possible de produire.

Améliorer la technologie existante n’était pas suffisant pour voir les processus se produire sur des échelles de temps étonnamment brèves pour les électrons ; il fallait quelque chose d’entièrement nouveau. Les lauréats de cette année ont mené des expériences qui ont ouvert la voie à un nouveau domaine de recherche qu'est la physique attoseconde.

La lumière est constituée d’ondes – des vibrations dans des champs électriques et magnétiques – qui se déplacent dans le vide plus rapidement que toute autre chose. Ceux-ci ont des longueurs d'onde différentes, équivalentes à des couleurs différentes. Par exemple, la lumière rouge a une longueur d’onde d’environ 700 nanomètres, soit un centième de la largeur d’un cheveu, et son cycle se déroule à environ quatre cent trente mille milliards de fois par seconde. Nous pouvons considérer l’impulsion lumineuse la plus courte possible comme la durée d’une seule période de l’onde lumineuse, le cycle au cours duquel elle monte jusqu’à un sommet, descend jusqu’à un creux et revient à son point de départ. Dans ce cas, les longueurs d'onde utilisées dans les systèmes laser ordinaires ne peuvent jamais descendre en dessous de la femtoseconde. Dans les années 1980, cela était donc considéré comme une limite stricte pour les éclats de lumière les plus courts possibles.

Les mathématiques qui décrivent les ondes démontrent que n'importe quelle forme d'onde peut être construite si suffisamment d'ondes de tailles, longueurs d'onde et amplitudes appropriées (distances entre les pics et les creux) sont utilisées. L’astuce pour attoseconder les impulsions est qu’il est possible de créer des impulsions plus courtes en combinant des longueurs d’onde plus nombreuses et plus courtes.

L'observation des mouvements des électrons à l'échelle atomique nécessite des impulsions lumineuses suffisamment courtes, ce qui signifie combiner des ondes courtes de nombreuses longueurs d'onde différentes.

Pour ajouter de nouvelles longueurs d’onde à la lumière, il faut plus qu’un simple laser ; la clé pour accéder à l’instant le plus bref jamais étudié est un phénomène qui se produit lorsque la lumière laser traverse un gaz. La lumière interagit avec ses atomes et provoque des harmoniques, des ondes qui complètent un certain nombre de cycles entiers pour chaque cycle de l'onde d'origine. On peut comparer cela aux harmoniques qui donnent à un son son caractère particulier, permettant d'entendre la différence entre une même note jouée sur une guitare et sur un piano.

En 1987, Anne L'Huillier et ses collègues d'un laboratoire français ont pu produire et démontrer des harmoniques à l'aide d'un faisceau laser infrarouge transmis à travers un gaz rare. La lumière infrarouge

provoquait des harmoniques plus nombreuses et plus fortes que le laser avec des longueurs d'onde plus courtes qui avaient été utilisées dans des expériences précédentes. Dans cette expérience, de nombreuses harmoniques d’intensité lumineuse à peu près identiques ont été observées.

Dans une série d'articles, L'Huillier a continué à explorer cet effet au cours des années 1990, notamment dans sa nouvelle base, l'Université de Lund. Ses résultats ont contribué à la compréhension théorique de ce phénomène, jetant les bases de la prochaine avancée expérimentale.

Lorsque la lumière laser pénètre dans le gaz et affecte ses atomes, elle provoque des vibrations électromagnétiques qui déforment le champ électrique retenant les électrons autour du noyau atomique. Les électrons peuvent alors s’échapper des atomes. Cependant, le champ électrique de la lumière vibre continuellement et, lorsqu'il change de direction, un électron libre peut retourner vers le noyau de son atome. Au cours de son excursion, l'électron a collecté une grande quantité d'énergie supplémentaire provenant du champ électrique de la lumière laser et, pour se rattacher au noyau, il doit libérer son excès d'énergie sous forme d'impulsion lumineuse. Ce sont ces impulsions lumineuses provenant des électrons qui créent les harmoniques qui apparaissent dans les expériences.

L'énergie de la lumière est associée à sa longueur d'onde. L'énergie des harmoniques émises est équivalente à la lumière ultraviolette, qui a des longueurs d'onde plus courtes que la lumière visible à l'œil humain. Étant donné que l'énergie provient des vibrations de la lumière laser, les vibrations des harmoniques seront élégamment proportionnelles à la longueur d'onde de l'impulsion laser d'origine. Le résultat de l’interaction de la lumière avec de nombreux atomes différents donne lieu à différentes ondes lumineuses avec un ensemble de longueurs d’onde spécifiques.

Une fois que ces sous-entendus existent, ils interagissent les uns avec les autres. La lumière devient plus intense lorsque les pics des ondes lumineuses coïncident, mais elle devient moins intense lorsque le pic d'un cycle coïncide avec le creux d'un autre. Dans de bonnes circonstances, les harmoniques coïncident de sorte qu’une série d’impulsions de lumière ultraviolette se produisent, chaque impulsion dure quelques centaines d’attosecondes. Les physiciens ont compris la théorie derrière cela dans les années 1990, mais la percée dans l’identification et le test des impulsions a eu lieu en 2001.

Pierre Agostini et son groupe de recherche en France ont réussi à produire et à étudier une série d'impulsions lumineuses consécutives, comme un train avec des wagons. Ils ont utilisé une astuce spéciale, associant le « train d'impulsions » à une partie retardée de l'impulsion laser d'origine, pour voir comment les harmoniques étaient en phase les unes avec les autres. Cette procédure leur a également permis de mesurer la durée des impulsions dans le train, et ils ont pu constater que chaque impulsion ne durait que 250 attosecondes.

Au même moment, Ferenc Krausz et son groupe de recherche en Autriche travaillaient sur une technique capable de sélectionner une seule impulsion, comme si un wagon était désaccouplé d'un train et commuté sur une autre voie. L'impulsion qu'ils ont réussi à isoler a duré 650 attosecondes et le groupe l'a utilisée pour suivre et étudier un processus dans lequel les électrons étaient éloignés de leurs atomes.

Ces expériences ont démontré que les impulsions attosecondes pouvaient être observées et mesurées, et qu'elles pouvaient également être utilisées dans de nouvelles expériences.

Maintenant que le monde attoseconde est devenu accessible, ces courts éclats de lumière peuvent être utilisés pour étudier les mouvements des électrons. Il est aujourd’hui possible de produire des impulsions de quelques dizaines d’attosecondes seulement, et cette technologie ne cesse de se développer.

Les impulsions attosecondes permettent de mesurer le temps nécessaire à un électron pour s'éloigner d'un atome et d'examiner comment ce temps dépend de l'étroitesse de la liaison de l'électron au noyau de l'atome. Il est possible de reconstruire la façon dont la distribution des électrons oscille d'un côté à l'autre ou d'un endroit à l'autre dans les molécules et les matériaux ; auparavant, leur position ne pouvait être mesurée que comme une moyenne.

Les impulsions attosecondes peuvent être utilisées pour tester les processus internes de la matière et pour identifier différents événements. Ces impulsions ont été utilisées pour explorer la physique détaillée des atomes et des molécules et ont des applications potentielles dans des domaines allant de l'électronique à la médecine.

Par exemple, des impulsions attosecondes peuvent être utilisées pour pousser des molécules qui émettent un signal mesurable.