spectroscopie pompe-sonde

Un projecteur de théâtre maintient l'acteur dans son faisceau, où qu'il aille. Le radar térahertz dont il est question fait de même avec une impulsion lumineuse courte réfléchie par un objet en mouvement. Les ondes térahertz se situent entre les micro-ondes et la lumière infrarouge.

Un orage dans les hautes couches de l'atmosphère dure des millionièmes de seconde. Un rayon cosmique, proton ou noyau d'hélium, frappe les molécules d'air, et tout un essaim de particules s'abat vers le bas. La plupart restent groupées, mais parfois une particule reçoit tellement d'énergie qu'elle s'élance en avant.

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.

14 secondes. C'est le temps qu'il faut au nouveau code pour tisser le spectre complet d'une étoile, de l'ultraviolet au proche infrarouge. Ce spectre n'est pas un simple arc-en-ciel, mais une toile détaillée de milliers de raies d'absorption sombres, chacune laissée par un atome précis dans l'atmosphère de l'étoile.

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.

Un piège à atomes ordinaire fonctionne comme un entonnoir : la lumière laser et le champ magnétique ralentissent les atomes et les rassemblent au centre. Mais l'entonnoir a une limite : il ne capture que les atomes ayant une certaine vitesse.

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 dans un détecteur de particules se comporte comme une voix en montagne. Un seul cri – et l'écho se répète plusieurs fois, en s'affaiblissant à chaque réflexion. Il en va de même dans un détecteur de silicium : l'éclair authentique produit par une particule engendre de fausses lueurs qui brouillent les mesures.

Dans les grands accélérateurs, les particules traversent les détecteurs en quelques milliardièmes de seconde, et pour les distinguer les unes des autres, il faut un chronomètre d'une précision incroyable.

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.

Un flash laser dure quelques femtosecondes — c'est comme si un instant était étiré en un million de parties. Dans un tel flash, plusieurs couleurs sont mélangées, du rouge au violet. Les instruments qui mesurent la forme du flash se trompent souvent : ils voient bien certaines couleurs, mais mal d'autres. Résultat : l'image est floue.

Sous terre, dans une ancienne mine d'or, se trouve une cuve remplie de xénon liquide. Si une particule de matière noire la traverse, le xénon émet un éclair. Mais il en émet aussi sous l'effet de particules ordinaires, comme les neutrinos ou les résidus de radioactivité.

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).

Le radiotélescope EDA2, dans l'arrière-pays australien, est comme une oreille géante collée au ciel. Il écoute l'espace à très basses fréquences, de 50 à 250 mégahertz, là où les télescopes ordinaires ne distinguent presque rien.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, conduit le courant sans pertes, comme l'eau s'écoule dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si on le frappe avec un bref éclair de lumière, il perd rapidement cette propriété.

Deux faisceaux laser, comme deux crayons, tracent une échelle invisible sur le mur. L'une des pointes se déplace un peu plus vite que l'autre, et selon que leurs traits coïncident ou divergent, on peut calculer la distance au mur avec une précision de l'épaisseur d'une toile d'araignée.

Le laser frappe l'échantillon et les molécules se mettent à vibrer. Cette vibration chauffe la matière de fractions infimes de degré. Autrefois, on considérait cette chaleur comme une nuisance ; désormais, on l'utilise pour lire la composition chimique, comme on devine qui marche dans un couloir au bruit des pas.

Une caméra qui ne capture pas la lumière mais un flux d'électrons réfléchis par un cristal, c'est un détecteur hybride à pixels. Il sait compter chaque électron qui l'atteint, en ne générant presque aucun bruit propre. En mode normal, lorsque le faisceau d'électrons s'écoule en continu, le détecteur fonctionne parfaitement.

Si l'on jette une pierre dans un étang, des cercles se propagent à la surface. Dans un minuscule cristal magnétique, il y a aussi des ondes — mais ce n'est pas l'eau qui oscille, c'est la direction de l'aimantation. Ces ondes sont appelées ondes de spin. Elles parcourent le cristal comme des rides à la surface et peuvent transporter de l'information.

Le laser dont il est question n'est pas un mince faisceau, mais une véritable piste de course pour la lumière. Dans la fibre optique, deux impulsions ultracourtes se déplacent : l'une dans le sens horaire, l'autre dans le sens antihoraire. Chaque impulsion est un éclair unique d'une durée de quelques milliardièmes de seconde.

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.

Le cristal d'oxyde de magnésium ressemble à une rangée de soldats : les atomes sont alignés en rangées régulières, et un électron court le long de celles-ci. Mais dès que l'électron s'attarde, les atomes voisins se déplacent légèrement — comme des voisins de rangée qui tournent la tête. L'électron se retrouve dans un creux formé par les atomes déplacés et ne peut plus se mouvoir librement.

Même dans un faisceau laser, il y a un tremblement invisible : le bruit quantique. Les physiciens ont appris à le « compresser », comme un ballon serré à la taille : le bruit s'atténue dans une direction, mais s'amplifie dans l'autre. Les scientifiques ont caché l'excès de bruit là où il ne gêne pas les mesures précises de photométrie de la lumière.

Un laser ordinaire émet des photons un par un, comme un robinet qui goutte. Mais que faire si l'on a besoin de plusieurs particules de lumière nées au même instant ?

À l'intérieur de chaque cellule vivante, des transformations chimiques se déroulent sans interruption. Certaines produisent des particules instables dont les électrons se comportent comme des aimants appariés.