PRIX NOBEL DE PHYSIQUE 2023

Le prix Nobel de physique 2023 récompense trois physiciens spécialistes de l’optique et des lasers pour « la mise au point de méthodes expérimentales pour produire des impulsions de lumière ultracourtes dans le domaine des attosecondes, afin d’étudier le mouvement des électrons dans la matière » – en d’autres termes pour leurs travaux pionniers qui ont permis de produire des impulsions électromagnétiques ultracourtes. Le Français Pierre Agostini, l’Autrichien-Hongrois Ferenc Krausz et la Franco-Suédoise Anne L’Huillier ont contribué de manière complémentaire à développer une nouvelle « attophysique », dont le but est de disposer de flashs de lumière d’une durée inférieure à la femtoseconde (1 fs = 10^–15 s), donc de quelques dizaines ou centaines d’attosecondes (1 as = 10^–18 s). Ces dispositifs optiques permettent de sonder de manière extrêmement précise la dynamique des électrons dans la matière. Ces travaux se sont révélés indispensables pour comprendre de nombreux phénomènes de physique, de chimie et de biologie.

Des impulsions de lumière de plus en plus courtes

À la fin des années 1980, l’équipe d’Anne L’Huillier au centre d’études nucléaires du Commissariat à l’énergie atomique (CEA) de Saclay (Essonne) découvre le phénomène de génération d’harmoniques élevées (à des fréquences typiquement 10 à 30 fois supérieures à la fréquence du laser) lorsque des gaz nobles comme l’argon sont exposés à un rayonnement intense émis par un laser fonctionnant dans l’infrarouge (longueur d'onde de 1 024 nm). Comme un instrument de musique dont le son est constitué du mélange d’une vibration fondamentale et d’« harmoniques » de fréquence double, triple, etc., l’atome d’argon réagit en générant un rayonnement électromagnétique fondamental (de fréquence f) accompagné d’harmoniques aux fréquences multiples (nf, n étant un entier). Ces rayonnements ultraviolets induits ont une caractéristique étonnante : les intensités de 15 harmoniques impaires (de la 5^e à la 33^e) sont pratiquement constantes alors que dans les cas habituels, les intensités des harmoniques décroissent régulièrement avec leur ordre… Les physiciens comprennent alors que des impulsions lumineuses ultrabrèves peuvent résulter d’interférences entre ces harmoniques, pourvu qu’on leur combine un faisceau lumineux à bande large. En 1991, L’Huillier et deux physiciens du laboratoire national Lawrence à Livermore (Californie) expliquent ce phénomène en calculant numériquement les solutions d’une équation de Schrödinger décrivant l'atome exposé à un champ électromagnétique intense. Il fallut dix ans pour qu'une autre équipe du centre de Saclay, menée par Agostini et utilisant les équipements du laboratoire d’optique appliquée de l’École nationale supérieure de techniques avancées (ENSTA) à Palaiseau (Essonne), parvienne à créer et à caractériser un train d’impulsions ultracourtes durant chacune 250 as. Quelques mois plus tard, l’équipe de Krausz à l’université de technologie de Vienne (Autriche) parvenait à isoler des impulsions durant 650 as et à s'en servir pour étudier comment les électrons de la sous-couche 4p étaient éjectés d'un atome de krypton. Depuis ces travaux pionniers, le domaine de l’attophysique s’est développé et des impulsions de quelques dizaines d’attosecondes ont été utilisées pour comprendre le comportement des électrons dans divers systèmes, atomiques ou moléculaires, dans des milieux solides ou gazeux. L’attoseconde est le bon ordre de grandeur pour discerner les étapes du mouvement des électrons ; les impulsions de cette durée permettent dès lors de « suivre » ces électrons et de préciser leur dynamique. Des applications pratiques dans le domaine médical sont envisagées, comme l'analyse in vitro de traces de maladies dans des échantillons sanguins.[...]