Attoseconde : l’ultime échelle de temps

Pour observer le comportement des particules au cœur des atomes, des physiciens québécois se sont lancés dans la quête ultime : accéder à l’échelle de l’attoseconde.

8 mai 2012, 80^e Congrès de l'Acfas – Pour chaque discipline scientifique, il existe une quête de longue haleine menant à son Saint-Graal. En physique de la matière condensée, l’atteinte du régime de l’attoseconde constitue un des plus grands défis du domaine. Accéder à cette échelle temporelle permet rien de moins que de scruter la dynamique des constituants atomiques.

L’attoseconde, c’est un milliardième de milliardième de seconde. On estime que les électrons se déplacent d’un atome à un autre, dans une réaction chimique, en quelques centaines d’attosecondes.

Des physiciens des universités de Sherbrooke, Montréal ainsi que de l’INRS se sont rencontrés le lundi 7 mai dans le cadre du colloque Science aux échelles de temps ultrarapides et applications pour échanger sur les plus récentes avancées de leur quête. Ils ont notamment discuté des modes de génération d’impulsions ultracourtes, dans la théorie comme dans la pratique.

5000 fois la puissance d’Hydro-Québec

Pour générer de telles impulsions, Mathieu Giguère, assistant de recherche au Centre Énergie Matériaux Télécommunications (ÉMT) de l'Université l’INRS, développe de nouveaux lasers au laboratoire ALLS, Advanced Laser Light Source, financé par la Fondation canadienne à l’innovation. Ce laboratoire possède la plus intense source laser du pays avec une puissance maximale de 200 térawatts par impulsion. C’est plus de 5000 fois la puissance annuelle totale produite par Hydro-Québec, mais concentrée sur quelques millimètres dans un délai de temps ultracourt.

Le laboratoire comprend trois différentes sources laser basées sur la technologie du cristal titane-saphir (Ti:sapph). Ces lasers peuvent créer des impulsions d’une dizaine de femtosecondes… ce qui est hélas encore dix mille fois plus long que l’attoseconde! Il faudra donc ensuite compresser ces faisceaux par des dispositifs optiques complexes.

Habituellement, les impulsions de sortie ont des durées de l’ordre de la femtoseconde. « On peut aussi générer des trains d’impulsions d’une centaine d’attosecondes; c’est à notre portée, mais ce n’est pas encore accessible pour la recherche », souligne M. Giguère.

Le professeur Carlos Silva du Département de physique de l’Université de Montréal précise que « la science des impulsions courtes est encore en développement. » Elle a profité de l’essor des lasers à impulsion femtoseconde dans les années 1970 et 1980, puis de l’apparition des lasers au titane-saphir dans les années 1990. Ces derniers, plus simples et plus fiables, ont permis une génération d’impulsions plus courtes et plus puissantes, souligne M. Silva.

« Voir » les particules

Les physiciens de la matière condensée (l’étude des matériaux solides et liquides) s’intéressent de près à cette conquête de l’attoseconde, car des impulsions aussi courtes leur permettraient de « figer » le mouvement des particules.

Figer est un bien grand mot dans ce contexte. Car à cette échelle, la mécanique quantique contraint les électrons à ne plus se comporter comme des particules, mais plutôt comme des ondes. Pour contourner ce problème, les physiciens observent plutôt l’interaction des ondes des électrons de différentes énergies, et sondent ainsi ce qui se passe dans le cœur des atomes.