laser à attosecondes

Accorder une corde à la bonne note : on ajuste l'impulsion laser pour que les harmoniques résonnent à l'unisson à des fréquences de l'ordre du kiloélectronvolt. La lumière que nous voyons oscille à des centaines de milliers de milliards de fois par seconde.

Le forgeron actionne ses soufflets, et le flux d'air lent se transforme en un jet vif capable d'attiser les flammes. C'est à peu près ainsi que les physiciens traitent la lumière : ils prennent une impulsion laser longue et la compriment en une flash courte et puissante.

Lorsqu'un faisceau laser frappe un gaz, il arrache les électrons des atomes et les accélère presque à la vitesse de la lumière. En traversant le plasma, ces électrons émettent des rayons X, comme une traînée lumineuse laissée par une particule rapide.

Le tireur vise la cible, appuie sur la détente — et entend deux détonations : l'une forte, l'autre plus discrète. C'est ainsi que fonctionne le nouveau dispositif, sauf qu'au lieu de balles, on a un paquet d'électrons, et au lieu de coups de feu, deux éclairs de lumière. L'un est un rayon X, l'autre est térahertz. Ils se dirigent vers un même point avec un intervalle parfait.

Deux électrons, éjectés de la pointe d'une aiguille métallique presque simultanément, commencent à se repousser, comme deux personnes qui se faufilent en même temps par une porte étroite. Plus ils sont proches l'un de l'autre, plus ils se gênent.

Un qubit supraconducteur ressemble à un instrument de musique capricieux : tant qu'on ne l'a pas accordé, on ne peut pas espérer une note juste. Mais même après l'accordage, le son dérive. Les coupables sont de minuscules défauts dans le matériau, que les physiciens appellent des systèmes à deux niveaux.

Dans l'océan silencieux de la Galaxie, les civilisations matures ont probablement adopté depuis longtemps une stratégie inattendue : au lieu de balises tonitruantes, elles dispersent de discrètes lucioles — des balises laser interstellaires autonomes, dérivant dans le vide et émettant des flashs de microsecondes.

Une onde lumineuse n'est jamais parfaitement régulière : elle est constamment secouée par une ondulation quantique. Ces secousses presque invisibles ont été étudiées par le prix Nobel Roy Glauber, qui a posé les fondements de l'optique quantique. Aujourd'hui, des physiciens ont appris à figer cette ondulation.

3I/ATLAS a fait irruption dans le système solaire comme un invité surprise, un cadeau du destin pour les chasseurs d'intelligence extraterrestre. Ce vagabond comète venu des profondeurs de la Galaxie est passé assez près pour être écouté dans les moindres détails, contrairement aux lointaines exoplanètes.

Une particule chargée traverse un capteur en silicium et laisse derrière elle une traînée d'électrons libres. Le temps que met cette charge à se rassembler sur l'électrode dépend de la profondeur à laquelle elle est née dans le cristal.

Les étoiles à neutrons sont les vestiges ultra-compacts d'étoiles, où la matière est compressée à la limite décrite par Subrahmanyan Chandrasekhar.

Dans la molécule de benzène, les électrons tourbillonnent autour des noyaux comme un essaim d'abeilles autour de la ruche. Mais cet essaim ne se contente pas de bourdonner — il pulse : toutes les 856 attosecondes, le nuage électronique effectue un cycle complet d'oscillation.

En général, on sépare les isotopes en exploitant la différence de poids du noyau. Cette différence est infime — comme si l'on triait des grains de sable qui diffèrent d'un centième de millimètre. La nouvelle méthode ne s'intéresse pas au poids mais à la rotation du noyau — son spin.

Le laser frappe une cible faite de fils fins — et en quelques dizaines de femtosecondes (milliardièmes de milliardième de seconde), il en arrache un flux de protons. Ces protons pénètrent dans un convertisseur en lithium et deutérium, où naissent des neutrons.

Un flash d'appareil photo ordinaire dure des millièmes de seconde. Une impulsion attoseconde est un trillion de fois plus courte : pendant sa durée, la lumière parcourt une distance inférieure à la taille d'un atome.

Un flash photo ordinaire fige l'instant en quelques centièmes de seconde – mais pour les atomes, c'est une éternité. Dans les molécules, les électrons sautent d'une orbite à l'autre en quelques attosecondes : un milliardième de milliardième de seconde. Pour capturer un tel événement, il faut une impulsion lumineuse plus brève que l'événement lui-même.

La lumière peut transporter l'information plus vite que n'importe quelle électronique. Mais habituellement, entre l'ordinateur et le laser se trouve un convertisseur numérique-analogique, un dispositif qui transforme les zéros et les uns en signaux électriques. C'est lui qui ralentit tout le processus. Le nouvel émetteur se passe de cet intermédiaire.

Un électron dans un atome ressemble à un joueur de tennis qui attend le service. L'éclair lumineux est la balle qui file à une vitesse impossible à suivre à l'œil nu. Le nouvel instrument capture l'instant où la raquette touche la balle avec une précision dont on n'osait même pas rêver auparavant.

Un flash laser d'une durée de 50 femtosecondes, c'est comme un coup de feu qui durerait un milliardième de seconde. Pendant ce temps, la lumière ne parcourt que 15 micromètres – moins que l'épaisseur d'un cheveu humain.

Lorsque la lumière arrache un électron à un atome, celui-ci s'envole comme une balle perdue dans la foule. Les scientifiques voulaient depuis longtemps savoir à quel instant exact chaque électron quittait l'atome, mais une mesure directe perturbait le processus.

La lumière n'est pas simplement un rayon, c'est une onde dont le champ électrique varie à une vitesse inimaginable pour nos horloges ordinaires. Jusqu'à présent, on ne pouvait mesurer ce champ qu'en un seul point, comme on mesure la température avec un seul thermomètre.

Un cuisinier goûte sa soupe après chaque pincée de sel et décide aussitôt quoi ajouter. C'est à peu près ainsi que fonctionne la nouvelle installation pour faire croître des films cristallins minces. Mais au lieu du goût, c'est une image de microscope électronique, et au lieu du cuisinier, c'est un programme informatique.

Une impulsion laser qui traverse un plasma est comme un coureur qui se fraye un chemin dans la foule. Il repousse les électrons, laissant derrière lui un canal raréfié, un peu comme la foule s'écarte devant un sprinteur.

La lumière ultraviolette d'une longueur d'onde d'environ 300 nanomètres est invisible à l'œil, mais elle peut détruire l'ADN des microbes, faire briller certaines substances et transporter des informations. Jusqu'à présent, les lasers dans cette gamme étaient encombrants, coûteux ou de courte durée de vie.

Une courte impulsion laser frappe l'air — et à l'endroit de l'impact, un éclair minuscule s'embrase. Il vit plus longtemps qu'on ne le croit : la lueur brillante est encore visible pendant une demi-milliseconde, et la lueur faible pendant près de vingt millisecondes.

Un flash photographique ordinaire dure un millième de seconde. Le nouveau dispositif du laboratoire hongrois ELI ALPS produit des impulsions un milliard de fois plus courtes.

La lumière ordinaire tremble toujours un peu : sa luminosité et sa couleur oscillent, comme l'air dans un ballon gonflé après une poussée. Dans la lumière « compressée », ces oscillations sont redistribuées — comme si l'on pressait le ballon d'un côté, le rendant plus mince ici et plus épais là, mais avec un volume total identique.

Un ver luisant scintille pendant un dix-milliardième de seconde quelque part au-dessus de la taïga sibérienne. Impossible à voir à l'œil nu, mais l'installation TAIGA-HiSCORE, disséminée dans la vallée du district de Tounka en Bouriatie, a tenté de capturer exactement ce genre d'éclairs — non pas d'insectes, mais des profondeurs du cosmos.