Des femtosecondes et des attosecondes – Le MIT nous explique

Des femtosecondes et des attosecondes – Le MIT nous explique

Des femtosecondes et des attosecondes – Le MIT nous explique 1000 1000 Sébastien BAGES

Comme les appareils électroniques et optiques vont toujours plus vite, des termes toujours plus petits sont incrémentés au fil du temps pour une plus large utilisation.


Retournons dans la première moitié du XXème siècle, quand le célèbre ‘Doc’ Harold Edgerton, du MIT, a perfectionné son système de capture d’évènements à déplacements rapides sur un film, donnant la possibilité d’observer des changements qui se déroulent à l’échelle de la microseconde – millionièmes de seconde. Cela avait été considéré comme une réalisation remarquable, qui a conduit à des images désormais célèbres telles que celle d’une balle capturée en plein vol perforant une pomme.

De nos jours, la résolution d’images à la microseconde est presque ‘out’. La recherche à la pointe a maintenant dépassé les nanosecondes (milliardièmes de seconde) et les picosecondes (milliardièmes) dans les années 1970 et 1980. Aujourd’hui, les chercheurs peuvent facilement atteindre le domaine des femtosecondes – quadrillièmes (ou millionièmes de milliardième) de seconde – l’échelle de temps des mouvements des molécules.

En 2000, la recherche sur les lasers femtosecondes a conduit à l’élaboration d’un système qui a révolutionné la mesure des fréquences optiques et a permis la création d’horloges optiques. Continuons notre progression pour atteindre le top de la technique actuelle qui commence à permettre d’observer des événements se produisant à moins de 100 attosecondes, ou quintillièmes de seconde.

Ces préfixes – micro, nano, pico, femto et atto – font partie d’une convention internationale reconnue d’un système français appelé Système International d’unités, ou SI. Il a été officiellement adopté en 1960, et mis à jour périodiquement, le plus récemment en 1991. Il comprend un total de 20 préfixes, 10 pour les multiples inférieurs (nano, pico, femto et ainsi de suite), et 10 pour les plus grandes valeurs des unités de base (méga, giga, téra et ainsi de suite).

« L’innovation technologique de base qui a permis d’observer des changements à ces échelles minuscules de temps fut ce qu’on appelle un laser pulsé », a expliqué Kaertner Franz, Professeur adjoint en génie électrique au MIT, qui se spécialise dans de tels dispositifs. La technologie a été mise au point par Erich Ippen et Herman Haus au Laboratoire de Recherche en Électronique du MIT. « Erich et Shank Chuck, qui travaillent en ce moment dans les laboratoires Bell, ont été les premiers à concevoir des impulsions femtosecondes, qui étaient très difficiles à créer à l’époque et sont monnaie courante aujourd’hui », a dit Kaertner. Haus a développé la théorie sous-jacente sur la façon dont les systèmes fonctionnent aujourd’hui.

La capacité à observer des événements sur des échelles de temps est importante pour la physique de base – par exemple comprendre comment les atomes se déplacent à l’intérieur de molécules – ainsi que pour les dispositifs de semi-conducteurs en ingénierie, et pour la compréhension des processus biologiques fondamentaux au niveau moléculaire.

Mais les physiciens et les ingénieurs sont intéressés à pousser ces limites toujours plus loin. Pour comprendre les mouvements des électrons, et éventuellement celles des particules subatomiques, nécessite la réalisation de l’attoseconde et finalement de la zeptoseconde (sextillionnièmes de seconde), a signalé Kaertner. Réalisation qui exige pousser la technologie pour produire des impulsions en utilisant plus de longueurs d’onde des sources, ainsi que la production d’impulsions qui englobent une large gamme de fréquences – une source avec une bande plus large.

Jusqu’à présent, a-t-il continué, « la plus courte impulsion que des personnes aient mesurée est de 80 attosecondes. Mais les différents groupes cherchent à repousser les limites encore plus loin, en utilisant plusieurs méthodes différentes, y compris les accélérateurs d’électrons de grande envergure tels que l’accélérateur linéaire de Stanford ».


Des impulsions de rayons X à haute énergie d’une durée en femtoseconde pourraient permettre d’obtenir des images détaillées et, finalement, des films, de la dynamique des molécules complexes de protéines. Dans l’article, Kaertner a ajouté qu’il s’agit de quelque chose qui ne peut pas être fait avec les techniques existantes, mais pourrait être d’un grand intérêt pour la recherche biomédicale. Mais les impulsions de rayons X à haute énergie, qui peuvent sonder ces structures complexes, peuvent aussi les détruire dans le processus, de sorte que la pulsation doit être si rapide que l’image doit être obtenue avant que les pièces ne volent en éclats.

« Si l’impulsion est suffisamment courte, tous les rayons X diffractent de la protéine avant qu’elle ne soit détruite », a dit Kaertner. « C’est ce qu’on appelle la diffraction avant destruction. C’est un domaine chaud en ce moment ».

Au-delà de la recherche fondamentale, les lasers femtosecondes ont de nombreuses applications pratiques. Les plus courantes sont dans le micro-usinage des matériaux et dans la chirurgie oculaire Lasik – qui a été permise par le développement des lasers femtosecondes pulsés. Ces impulsions extrêmement courtes à haute énergie permettent de détruire du matériel comme des tissus à une échelle et sur un espace minuscule, sans donner assez de temps à l’énergie de se diffuser et d’endommager les tissus environnants, a signalé Kaertner.

Donc, comment imaginer une échelle de temps aussi courte que la femtoseconde ? Une façon de la penser, a expliqué Kaertner, « c’est en matière de combien la lumière peut se déplacer dans un laps de temps donné. La lumière parcourt environ 300.000 kilomètres en une seconde. Cela signifie qu’elle va à environ 30 centimètres en une nanoseconde. Dans une femtoseconde, la lumière se déplace à 300 nanomètres – environ la plus grande dimension qui puisse traverser un filtre HEPA, et juste un peu plus grand que les plus petites bactéries ».

Une autre façon de penser à propos de la longueur d’une femtoseconde est la suivante : une femtoseconde est à une seconde ce que la seconde est à environ 32 millions d’années.

Comme indicateur approximatif de la pertinence de ces termes, une recherche Google récente a montré plus de deux millions de visites pour le terme femtoseconde, mais seulement environ un dixième pour l’attoseconde, et un simple 16.000 pour le terme officiel suivant, zeptoseconde – dont la plupart étaient ciblés sur des définitions dictionnaire, par opposition aux usages actuels du terme. Le dernier terme de cette procession, la yoctoseconde, a produit un nombre similaire.

Mais comme la technologie continue à aller de l’avant, nous pourrions être amenés à parler un peu plus de la zeptoseconde et de la yoctoseconde – ou, en allant dans l’autre sens, des choses telles que zettabites de données ou yottawatts d’énergie – dans un futur assez proche.


Citations du MIT
Crédit image : MIT

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Sébastien BAGES
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Sébastien BAGES

Plus de trois années de travail passionné sur Civilisation 2.0 Actus, et fondateur de l'association Civilisation 2.0, je mets à contribution mon expertise de veille technique et scientifique, mon analyse de chef de projet, mon engouement pour la science et ses outils, et mon expérience dans le développement stratégique afin d'offrir à tous ce qui en résulte.

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