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[Paroles d'experts] La lumière pour agiter les électrons

A l’occasion de la journée de la lumière le 16 mai, Stefan Haessler, chercheur CNRS au Laboratoire d’optique appliquée nous raconte comment il façonne les rayons lumineux pour mieux comprendre le monde.

Il y a mille ans, l’humanité a compris comment nous percevons le monde : la lumière venue d’une source comme le soleil rebondit sur les objets et arrive dans nos yeux pour nous transmettre leur image. Mais la lumière est également une condition sine qua non à la vie. Cette découverte date de 240 ans, quand des expériences ont montré qu’elle était indispensable à la croissance des plantes. La lumière est donc un transmetteur d’information et d’énergie qui mérite bien sa journée internationale.

Mais qu’est-ce que la lumière ?

On entend parfois parler d’une particule et d’une onde à la fois, ce qui peut sembler déstabilisant. Pour notre explication, nous nous limiterons à sa description comme une onde, un champ électromagnétique oscillant qui se propage dans l’espace à la vitesse la plus grande qui soit : 299 792 458 mètres par seconde. Son origine vient de l’agitation de charges électriques, comme les électrons d’un atome qui émettent de la lumière en oscillant. Réciproquement, lorsque ces charges rencontrent de la lumière, elles se mettent à osciller.

Des lumières de toutes les « couleurs »

Le nombre d’oscillations par seconde effectuées par l’onde électromagnétique va définir sa fréquence, sa « couleur ». Les lumières que notre œil perçoit ont des fréquences comprises entre 400 billions d’oscillations par seconde ce qui correspond à la lumière rouge (1 billion = mille milliards) et 750 billions d’oscillations par seconde pour la lumière violette. Entre ces fréquences se trouvent toutes les couleurs de l’arc-en-ciel.

Mais il existe également des lumières que nous ne pouvons pas voir : il est possible de secouer notre électron plus ou moins vite en produisant toujours de la lumière. Nous avons l’habitude d’appeler ces lumières avec différents noms : vers les fréquences plus basses que le rouge, on trouve l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio, et vers les fréquences plus élevées que le violet s’ajoutent l’ultraviolet, les rayons X et finalement les rayons gamma.

De la lumière bien ordonnée : le laser

Une source de lumière comme le soleil est constituée d’une multitude d’émetteurs de lumière microscopiques : des charges qui s’agitent en créant des ondes lumineuses. Dans la plupart des cas, ces émissions se font de manière désordonnées, on parle alors de sources incohérentes. A l’inverse, dans un laser, toutes les charges oscillantes sont synchronisées, en phase les unes avec les autres : sa lumière est dite cohérente.

Pour aller plus loin : le laser impulsionnel, un concentré de puissance

Grâce à la cohérence, il est possible de réaliser des lasers qui émettent des fréquences différentes et synchronisées pour obtenir des impulsions extrêmement courtes : des flashs lumineux qui ne contiennent que quelques oscillations de l’onde lumineuse, soit quelques femtosecondes (1fs = un millionième de milliardième de seconde) !

Au LOA nous avons construit un laser qui fournit 1000 impulsions par seconde d’une durée de 3,5 fs chacune. La courte durée des impulsions implique que l’énergie est extrêmement concentrée dans le temps. Chaque impulsion a une puissance de 1 térawatt, soit 1000 milliards de watt : 1000 fois la puissance d’un réacteur de centrale nucléaire. Cette puissance est délivrée pendant un temps extrêmement court, à la différence d’une centrale nucléaire dont la puissance est continue.

Vers des durées toujours plus courtes

Toujours grâce à la cohérence, il est possible de concentrer cette énergie dans l’espace sur un tout petit point de l’ordre de 1 micromètre, 100 fois plus fin qu’un cheveu. En focalisant notre laser sur une cible, nous générons un champ électrique suffisant pour arracher les électrons de leurs atomes en créant ainsi ce que l’on appelle un plasma (un mélange d’ions et d’électrons).

Ces électrons libérés vont osciller avec l’onde électromagnétique du laser en subissant une accélération très violente : 100 000 milliards de milliards de g, soit 10 000 milliards de milliards de fois plus que ce que subit un pilote de chasse au maximum de l’accélération de son avion.

Pendant des très brefs instants, la vitesse des électrons s’approche alors de celle de la lumière, et ils adoptent un comportement complexe qui fait notamment intervenir la théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein. L’une des conséquences de ce phénomène est l’émission de lumière ultraviolette, par des impulsions encore plus courtes que la femtoseconde.

La lumière pour comprendre la matière

Ces émissions énergétiques ultra-courtes peuvent ensuite servir aux chercheurs pour remonter aux mouvements des électrons dans les molécules pour mieux comprendre par exemple comment une liaison se forme et se brise, ou comment les charges sont transportées le long de grandes molécules dans les processus de photosynthèse.

Cette lumière qui nous donne la vie, lorsqu’elle est façonnée dans le laboratoire de recherche, permet ainsi de comprendre les fondements du monde qui nous entoure, et de répondre à bien d’autres questions encore.

                               Stefan Haessler