spectroscopie attoseconde

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.

Un long chemin peut être parcouru, ou bien on peut le raccourcir en un itinéraire compact sans perdre les points de repère essentiels. En calcul quantique, ce chemin est l'évolution de l'état au cours du temps : elle exige des chaînes d'opérations de plus en plus longues, et sur un processeur réel, elle se noie rapidement dans le bruit.

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.

Jetez une poignée de sable sur une table : les grains se dispersent également dans toutes les directions. Mais si un aimant est caché sous la table et que le sable est ferreux, les trajectoires deviennent plus subtiles : une structure invisible à l'œil se superpose au chaos. C'est à peu près ainsi que fonctionne le mouvement des molécules à l'intérieur d'une cellule vivante.

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.

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.

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.

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.

Une caméra ultra-rapide capable de filmer le mouvement des électrons, c'est l'interféromètre attoseconde. Il envoie deux impulsions laser sur la matière avec un infime délai. La première, ultraviolette, telle un flash, arrache un électron de la molécule.

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.

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.

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.

Le verre à vitre ordinaire semble figé pour l'éternité, mais à l'intérieur, les atomes ne restent jamais en place. Dans le tellurure de germanium amorphe (GeTe) — un matériau utilisé dans les disques réinscriptibles et les mémoires non volatiles —, des physiciens ont pour la première fois suivi directement comment les liaisons atomiques s'étirent et se plient en quelques…

Les ondes radio qui oscillent moins d'une fois par seconde traversent la terre et l'eau presque sans perte. De tels signaux sont utilisés pour communiquer avec les sous-marins et pour la prospection minière. Mais une antenne classique devrait mesurer des centaines de mètres pour les capter, et sa sensibilité laisse à désirer.

Un télémètre laser classique fonctionne comme un chronomètre sur un 100 mètres : il mesure le temps que met la lumière pour aller jusqu'à la cible et en revenir. Mais ce chronomètre a une limite : il tique par pas de quelques dizaines de picosecondes (millièmes de milliardième de seconde).

Un récepteur radio classique capte les ondes avec une antenne métallique. Ici, l'antenne est un atome unique dont l'électron est placé sur une orbite très lointaine – comme un satellite sur une orbite haute autour de la Terre. Ces atomes sont appelés atomes de Rydberg.

Un aimant de frigo tient grâce à de minuscules aiguilles internes, chacune comme une boussole miniature. Si l'on frappe le métal avec une impulsion lumineuse ultra-courte, ces aiguilles se mettent à tournoyer de manière chaotique, et le magnétisme fond en un millionième de milliardième de seconde. Autrefois, une telle « fonte » était trop rapide pour être observée.

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.