Le monde des arts martiaux, seulement vite.
Parfois, on mettra un temps très court, décrit comme « le temps d'un battement de cœur », et la durée d'un battement de cœur est de 10 à la puissance 18 de seconde.
Dans une expérience récente similaire à la photographie en stop-motion, une équipe de scientifiques des États-Unis et d'Allemagne a capturé pour la première fois des « images figées » d'électrons se déplaçant dans l'eau liquide en temps réel, et les résultats ont été publiés dans la revue Science.
Des experts du jury expliquent les résultats des recherches des lauréats du prix Nobel de physique 2023 lors de l'annonce de l'attribution du prix Nobel de physique 2023 à Stockholm, en Suède, le 3 octobre 2023.
Selon les experts, ce résultat marque une avancée majeure dans la physique expérimentale, ouvrant une fenêtre sur la structure électronique des molécules dans les liquides à des échelles de temps auparavant inaccessibles avec les rayons X. Auparavant, les scientifiques n'étaient capables de résoudre le mouvement des électrons qu'à l'échelle de la picoseconde (1 seconde=1 billions de picosecondes). Désormais, la capacité d’étudier les réactions électroniques des rayons X frappant une cible à l’échelle attoseconde permet aux chercheurs d’approfondir les réactions chimiques induites par les rayonnements un million de fois plus rapidement que les méthodes précédentes.
Tout indique que le laser attoseconde pourrait être la clé pour ouvrir le monde mystérieux de l’électronique.
Qu'est-ce qu'une « attoseconde » ?
Pour les gens ordinaires, l’attoseconde est un concept extrêmement étrange.
En fait, dès la période des Royaumes combattants, le célèbre penseur chinois, le cadavre Kao, présentait « quatre côtés de haut en bas, disait Yu, ancien et moderne, disait Zeus », une vision simple de l'espace et du temps. Aujourd’hui encore, à l’avant-garde de la recherche en physique, l’espace et le temps restent les deux dimensions les plus importantes et fondamentales.
En ce qui concerne les sens humains, lorsqu'un objet est en mouvement rapide, ses images sont floues et se chevauchent, et les changements survenant sur une très courte période de temps ne peuvent être observés. Il est donc important que les scientifiques développent des « fenêtres temporelles » plus précises pour capturer ou représenter ces instants très brefs.
Au XIXe siècle, une question très controversée en physique était la suivante : lorsqu'un cheval court, ses quatre pattes quittent-elles le sol en même temps ?
L’entrepreneur américain Leland Stanford s’est montré très intéressé par cette question. Afin de vérifier cette conjecture, il s'adresse au célèbre photographe Edvard Muybridge. A cette époque, la fonction vidéo n'était pas encore née, alors que le temps de réponse de l'obturateur de l'appareil photo était de 15 secondes, parfois même jusqu'à une minute.
Les chevaux ne ralentissaient pas pour s'occuper de l'obturateur de l'appareil photo, et leurs sabots cliquetants constituaient le plus grand obstacle à la vérification de cette hypothèse. Edvard Maibridge n'a pas abandonné si facilement, il a eu la brillante idée, non seulement d'améliorer la conception de l'obturateur de la caméra, mais également de placer 12 caméras et mécanismes sur la piste. Chaque fois que le cheval s'approchait de l'appareil photo, le mécanisme se déclenchait et une photo était prise. En fin de compte, il a rassemblé les 12 photos, ce qui représente tout le processus de course du cheval.
En regardant les photos recollées, les gens ont vite trouvé la réponse à la question : lorsqu'un cheval court, il peut en effet capturer un instant - ses quatre pattes quittent le sol en même temps.
Le 3 octobre 2023, l'Académie royale des sciences de Suède a annoncé qu'elle avait décerné le prix Nobel de physique de cette année-là à Pierre Agostini, Ferenc Krauss et Anne Lhuillier pour leur « méthode expérimentale de génération d'impulsions lumineuses attosecondes pour l'étude de la dynamique de des électrons dans la matière."
"Nous pouvons désormais ouvrir la porte au monde des électrons. La physique attoseconde nous a donné l'opportunité de comprendre les mécanismes de contrôle électronique. La prochaine étape sera de les exploiter." C'est ce que dit Eva Olson, présidente du Comité Nobel de physique.
Lorsque les scientifiques ont plongé leur perspective dans le monde des électrons, ils ont découvert que le taux de changement de position et d’énergie varie entre une et plusieurs centaines d’attosecondes, une attoseconde équivalant à un milliardième de seconde. La technologie de la lumière pulsée attoseconde est l'échelle de temps la plus rapide actuellement disponible pour l'humanité, et elle ressemble à une règle : plus l'échelle de la règle est fine, plus la précision du mesurable est élevée.
Yuan Lanfeng, directeur adjoint du Département de communication scientifique et technologique de l'École des sciences humaines et sociales de l'Université des sciences et technologies de Chine, a déclaré que l'impulsion lumineuse attoseconde peut être comprise comme le principe d'une caméra à grande vitesse, et qu'un une caméra avec une vitesse de réaction rapide est nécessaire pour capturer les moments merveilleux du processus de mouvement d'une personne. L'impulsion lumineuse attoseconde est la « caméra à grande vitesse » dans la recherche sur les réactions microscopiques.
Dans le passé, la limite de temps pour les impulsions laser était de « femtosecondes », ce qui était suffisant pour que les gens puissent voir les atomes, mais pour les électrons, la résolution temporelle de « femtosecondes » était si grossière que, selon cette échelle, on ne pouvait obtenir qu'une effet mosaïque. Les impulsions lumineuses cohérentes progressent à partir des femtosecondes
La progression des impulsions lumineuses cohérentes de la femtoseconde à l'attoseconde n'est pas seulement un simple progrès sur une échelle de temps, mais plus important encore, elle améliore la capacité des gens à étudier la structure de la matière depuis le mouvement des atomes et des molécules jusqu'à l'intérieur des atomes, où ils peuvent étudier les comportements de mouvement et de corrélation des électrons, ce qui entraînera une révolution majeure dans la recherche en physique fondamentale.
Qu’est-ce que l’atoseconde va apporter aux gens ordinaires ?
Un jour de 1999, Ahmed Xavier, professeur au California Institute of Technology, remporte le prix Nobel de chimie pour sa découverte. Les recherches de Xavier dans les années 1980, utilisant un faisceau laser pour filmer les oscillations des atomes en état de transition, ont permis aux scientifiques d'observer des atomes et des molécules en cours de réactions chimiques au « ralenti », et ainsi d'étudier la nature et la structure de l'atome. état de transition. Pour cette raison, Xavier est également connu comme le « père de la chimie femtoseconde ».
Depuis lors, les scientifiques ont réalisé que les lasers, comme la foudre, pouvaient capturer ces instants fugaces. Cette découverte a fourni la base théorique d’une série d’études disruptives.
Aujourd’hui, la vitesse de ce laser a été multipliée par mille, réalisant avec succès le changement radical des femtosecondes aux attosecondes.
De nos jours, lorsqu’on évoque le laser femtoseconde, on pense souvent aux nombreuses applications que représente la chirurgie de la myopie au laser femtoseconde. Et lorsqu’il s’agit du laser attoseconde, il semble difficile de relier ce terme à la vie productive des gens ordinaires.
Yuan Lanfeng a déclaré franchement : « le laser d'une seconde n'est pas très utile à l'heure actuelle, son application vient juste de commencer et il est encore bloqué dans la recherche fondamentale ». Cependant, cela ne signifie pas que l'impulsion lumineuse attoseconde n'a aucun potentiel d'application, "elle ouvre une porte, mais ce qui se cache derrière cette porte doit encore être explorée en profondeur". Il a dit.
Alors qu'est-ce qu'il y a derrière cette porte ?
Système d'ablation par champ pulsé photographié sur le stand Medtronic dans la section Dispositifs médicaux et soins de santé du 6ème Salon le 5 novembre 2023
"Le mouvement des électrons est responsable de la génération de lumière ainsi que de la formation et de la rupture de liaisons chimiques qui modifient la structure des biomolécules et leur fonction dans les systèmes vivants, et du traitement de l'information le plus rapidement possible...... Aujourd'hui, nous utilisons des impulsions lumineuses attosecondes pour mieux comprendre les processus microscopiques impliquant des électrons, des atomes et des molécules et découvrir comment ils affectent le monde macroscopique. Plus tôt, après avoir remporté le prix Wolf de physique, Ferenc Krauss a ainsi souligné la valeur des applications de la physique attoseconde.
Eva Olson, quant à elle, a déclaré que la physique attoseconde nous donne l'opportunité de comprendre les mécanismes de contrôle électronique, ouvrant ainsi la voie à des applications potentielles dans l'industrie de l'information électronique et en médecine.
Wei Zhiyi, chercheur à l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences, estime que la technologie peut être combinée avec la supraconductivité, les nanomatériaux, l'industrie photovoltaïque, les produits pharmaceutiques, la médecine laser et d'autres domaines pour promouvoir une compréhension plus approfondie de la structure. de la matière par l'humanité, ce qui conduira à des avancées révolutionnaires pertinentes.
Sans aucun doute, même si l'application actuelle de la physique attoseconde est encore loin de l'imagination de certains, elle présente un éventail extrêmement large de scénarios d'application.
Il fournit à l’humanité une paire d’« yeux intelligents » pour étudier le monde microscopique.
Avec son support, de nombreux processus microscopiques ne nécessiteront plus de « preuves circonstancielles » pour être confirmés, mais pourront être directement observés : le laser attoseconde peut être utilisé pour photographier une variété de processus de mouvement à grande vitesse, tels que des réactions chimiques, des réactions à l'échelle moléculaire. mouvement et mouvement à l’échelle atomique.
Photographier les réactions chimiques avec des lasers attosecondes peut aider les scientifiques à mieux comprendre les mécanismes de réaction et à améliorer davantage les processus chimiques. Photographier les mouvements des molécules et des atomes avec des lasers attosecondes peut révéler leurs interactions et leurs processus cinétiques, importants pour la recherche en science des matériaux et en biosciences.
Dans le domaine de la biomédecine, par exemple, la technologie d’imagerie à haute résolution des impulsions attosecondes devrait améliorer le diagnostic et le traitement précoces des maladies et permettre de nouvelles avancées dans l’étude du cancer, des maladies neurologiques et d’autres défis médicaux majeurs.
Il est entendu que l'équipe de Ferenc Krauss tente également d'utiliser des techniques femtoseconde et attoseconde pour analyser des échantillons de sang et y détecter de petits changements. Ils analysent si ces changements sont suffisamment spécifiques pour pouvoir diagnostiquer clairement la maladie au stade initial de la maladie. Cette technologie pourrait avoir un impact significatif sur l'étude du cancer et d'autres maladies difficiles.
L’accélération de « l’ère attoseconde » ?
En 2021, le magazine Science a publié « 125 des problèmes scientifiques les plus pointus au monde », dont plus de 10 doivent être résolus par la science ultrarapide. L’émergence des impulsions attosecondes devrait conduire à des innovations plus originales dans plusieurs domaines de la recherche scientifique et appliquée.
Le laser attoseconde n'est pas un don de la nature, mais un miracle créé par l'homme.
La physicienne française Anne Lhuillier a été la première à découvrir les outils permettant d'ouvrir le monde des attosecondes. En 1987, elle faisait des expériences d'ionisation de gaz, la longueur d'onde de 1064 nanomètres de lumière laser dans l'argon et plusieurs autres gaz rares, le gaz semblait être d'une couleur différente des expériences précédentes.
Elle a ensuite publié un article clé, découvrant le phénomène des harmoniques élevées générées par une forte irradiation laser de gaz rares, et a obtenu la structure spectrale typique des harmoniques élevées, dont la largeur spectrale a pu supporter des impulsions de l'ordre de l'attoseconde, fournissant les conditions préalables à la percée des impulsions laser en attosecondes. Depuis lors, sa carrière de chercheuse et les lasers attosecondes sont étroitement liés et, 16 ans plus tard, elle dirige une équipe de chercheurs qui établit un record mondial pour l'impulsion laser la plus courte de 170 attosecondes.
Les deux autres scientifiques qui ont remporté avec elle le prix Nobel de physique ont également enrichi le « bâtiment attoseconde » : le Hongrois Ferenc Kraus a dirigé une équipe de chercheurs pour créer et mesurer la première impulsion lumineuse attoseconde en 2001 et l'a utilisée pour capturer l'énergie solaire. mouvement des électrons à l’intérieur des atomes, marquant la naissance de la physique attoseconde. De plus, son équipe a réussi à isoler des impulsions d’une durée de 650 attosecondes, c’est la première fois que des scientifiques parviennent à suivre le détachement des électrons des atomes. Le Français Pierre Agostini, leader dans l'interaction des lasers à champ fort avec les atomes, et son équipe ont été les pionniers de la physique attoseconde en générant et en mesurant pour la première fois des impulsions lumineuses attosecondes et en les utilisant pour capturer le mouvement des électrons à l'intérieur des atomes.
Aujourd’hui, de plus en plus de scientifiques se disputent la première place dans ce domaine dans de nombreuses régions du monde.
En laboratoire, les résultats fructueux sont fréquents : en 2022, des chercheurs de l’Université du Michigan et de l’Université de Regensburg en Allemagne ont collaboré pour capturer le mouvement des électrons en quelques centaines d’attosecondes, la vitesse la plus rapide jusqu’à présent.
La même année, une équipe de chercheurs du Center for Advanced Photonics de l'Institut des sciences et de chimie RIKEN au Japon et de l'Université de Tokyo ont collaboré pour développer un nouveau type d'interféromètre permettant de traiter les franges résultant d'interférences optiques provenant d'impulsions attosecondes. et l'interférence quantique avec les états électroniques de la matière. Ils ont démontré la faisabilité du système interférométrique par division post-générative d'impulsions harmoniques élevées grâce à des expériences utilisant des échantillons d'atomes d'hélium.
En outre, la construction et la concurrence internationale pour une installation laser attoseconde ont commencé. Soutenue par le physicien Gérard Mourou, lauréat du prix Nobel, et d'autres, l'Union européenne a pris l'initiative en Hongrie de la construction de l'installation européenne de lumière extrême-source de lumière altoseconde (ELI-ALPS) et a favorisé la construction d'entreprises de renommée internationale telles que comme Fastlite, Active Fiber et Light Conversion. Entreprises de technologie laser telles que Fastlite, Active Fiber, Light Conversion et d'autres itérations et mises à niveau de produits de renommée internationale, ces technologies laser de nouvelle génération joueront un rôle important dans la fabrication de pointe, la science et la technologie de la défense nationale et d'autres domaines.
En Chine, des unités de recherche scientifique compétentes réalisent la construction d'infrastructures de sources de lumière attoseconde à grande échelle, comme l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences et le Laboratoire de matériaux du lac Songshan à Dongguan, dans la province du Guangdong, pour construire le lac Songshan. centre scientifique attoseconde. Il est entendu qu'après l'achèvement de ce centre, il est prévu d'atteindre les principaux indicateurs internationaux globaux.
