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Nos recherches en la science de l'attoseconde

La technologie laser de pointe, dont une partie est développée au CNRC, augmente de façon dramatique de degré de contrôle que nous avons sur presque tous les aspects de la lumière, et, par conséquent, notre capacité à observer et à contrôler la matière. Voici l'état d'avancement de cette technologie :

Couleur : Les molécules se « caractérisent » selon leur réaction à la lumière de différentes couleurs. Chaque molécule réagit différemment à une couleur donnée. La technologie laser permet de définir les couleurs avec une précision incroyable – à une partie par ~ 1015. Il existe environ 1 000 000 000 000 000 couleurs distinctes permettant de caractériser les molécules.

Temps : Les molécules et atomes sont constamment en mouvement. Les réactions électroniques et de mouvement vibrationnel rapides entre ces particules donnent lieu aux processus chimiques et biologiques. La technologie laser permet de produire des impulsions optiques ou électroniques d'une durée de seulement 200 attosecondes (200/1 000 000 000 000 000 000 sec). Les lasers ultrarapides nous permettent de mesurer la dynamique de nombreuses réactions chimiques.

Intensité : La lumière est une onde de force électrique. Les forces électriques lient également les électrons aux ions dans les atomes et molécules, ou lient les atomes dans les molécules ou solides. Les forces produites par les lasers peuvent s'approcher ou dépasser les forces de liaison. Ces forces nous offrent un moyen important pour contrôler le monde quantique.

Longueur d'onde : Les longueurs d'onde des lasers sont très grandes par rapport à l'échelle moléculaire. Jusqu'à récemment, cela signifiait que les lasers ne permettaient pas de « voir » les molécules. La longueur d'onde des lasers s'approche maintenant des dimensions moléculaires et les lasers peuvent contrôler des électrons dont les dimensions sont inférieures à celle des molécules. Nous sommes tout prêts à transformer radicalement la façon dont on détermine la structure des molécules.

Phase : La phase est ce qui distingue la mécanique quantique de la mécanique classique. Les impulsions femtoseconde contiennent une large bande de rayonnement déphasée en raison de leur courte durée. L'interférence quantique offre un deuxième moyen de contrôler les systèmes quantiques.

Science attoseconde : Le laser a été découvert en 1960. Il nous permet de contrôler la lumière et, grâce à lui, la science moderne est aussi révolutionnaire qu'elle était il y a cent ans. Les lasers nous permettent de :

  • Produire des impulsions très courtes (actuellement ~200 attosecondes). Ces impulsions de courte durée permettent d'analyser les processus très rapides dans les atomes, les molécules et les solides.
  • Produire des impulsions lumineuses très intenses pour contrôler les atomes et molécules.
  • Produire des faisceaux de lumière à largeur spectrale très étroite pour augmenter la précision de la spectroscopie.
  • Produire des impulsions à phase contrôlée.

Nos recherches sont fondées sur un siècle de travail. Pendant cette période, la science attoseconde a refaçonné les fondements mêmes de la science. La mécanique quantique a été développée il y a presque cent ans pour décrire les expériences sur les interactions entre la lumière et les atomes. Il y a cinquante ans, on a déterminé la structure des petites molécules en étudiant leurs interactions avec la lumière. Une grande partie de ces recherches ont été effectuées au CNRC dans les années 1950. On a donné le nom de spectroscopie à ce domaine de la recherche. La science nous permet maintenant de déterminer la structure des grandes molécules par la façon dont elles dispersent les rayons X.

Le projet des sciences de l'attoseconde et des champs intenses
Le projet des sciences de l'attoseconde et des champs intenses vise à exploiter l'optique non linéaire extrême que permet les champs laser intenses. Comme la physique non linéaire extrême n'est pas aussi bien comprise, une partie du projet concerne ce sujet. Il nous permet d'obtenir des impulsions dont la durée est plus courte que pour n'importe quelle autre technologie. Les champs intenses sont cependant des outils de contrôle puissants. Le contrôle et la dynamique extrême fournissent un lien solide entre ces projets.

Les impulsions laser intenses appliquent des forces aux éléments chargés des atomes, des molécules ou des solides. Si ces forces appliquées sont plus puissantes que les forces liant l'électron à son ion, il se produit de l'ionisation. Comme les forces sont grandes, dans le continu, l'électron réagit au champ de façon quasiment classique. On peut donc contrôler les électrons ionisés en contrôlant le champ laser de façon cohérente.

Même si l'intensité du champ est insuffisante pour causer l'ionisation, on ne peut pas l'ignorer. Il mélange et déplace tous les niveaux. Comme nous contrôlons le champ, nous avons beaucoup de contrôle sur le spectre de photoélectrons. On peut se servir de cet outil pour étudier et contrôler les molécules.