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ARCHIVÉ - La capitale mondiale de la science de l'attoseconde

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Qu'est-ce que la « science de l'attoseconde » et que peut-elle nous enseigner sur le monde dans lequel nous vivons? Pour le savoir, la rédaction de Dimensions s'est entretenue récemment avec Paul Corkum, directeur de la science de l'attoseconde au CNRC et professeur de physique à l'Université d'Ottawa.

David Villeneuve, chef du programme en science de l'attoseconde au CNRC, fait une démonstration de l'équipement laser à la fine pointe de la technologie au JASLab.

David Villeneuve, chef du programme en science de l'attoseconde au CNRC, fait une démonstration de l'équipement laser à la fine pointe de la technologie au JASLab.

Le 30 novembre 2009, le CNRC et l'Université d'Ottawa présentaient un nouveau laboratoire à la fine pointe de la technologie dans un bâtiment du CNRC, à Ottawa. Ce nouveau laboratoire abrite le laser à rayons X au flash le plus rapide au monde. Si rapide, en fait, qu'il fige les électrons dans leur déplacement autour de l'atome. Baptisée JASLab (pour Joint Attosecond Science Lab ou laboratoire de recherche conjoint en science de l'attoseconde), cette installation permettra aux scientifiques de « filmer » les molécules durant les réactions chimiques et d'étudier les électrons individuellement. De tels travaux conduiront éventuellement à des percées scientifiques dans les domaines des soins de santé, de la médecine diagnostique, de l'informatique quantique, de la nanotechnologie, des sciences de l'environnement et de l'énergie.

Question : Qu'est-ce qu'une attoseconde?

Réponse : C'est une fraction de seconde ' une très petite fraction en fait, égale à un millionième de millionième de seconde. Voici qui vous aidera à comprendre : une attoseconde est à la seconde ce que la seconde est à l'âge de l'univers, qu'on estime à 13 milliards d'années. Et voici un autre exemple : si vous étiez Superman et pouviez vous déplacer à la vitesse de la lumière, vous feriez le tour de la Terre environ 40 fois en une seconde. Mais en une attoseconde, vous ne feriez qu'une seule fois le tour d'un seul atome.

Le saviez-vous?

  • Une attoseconde équivaut à 1/1 000 000 000 000 
    000 000 seconde. Il y a 1018 attosecondes dans 1 seconde et 1018 secondes dans l'âge de l'univers.
  • Un électron met 160 attosecondes pour faire le tour d'un atome d'hydrogène.

Q : Qu'est-ce que la science de l'attoseconde?

R : Cette science comprend l'étude des phénomènes qui surviennent à l'échelle de l'atome et des molécules. C'est la science des électrons dans l'atome, les molécules et la matière.

Q : À quoi une telle science peut-elle servir?

R : Nous sommes tous faits d'atomes et de molécules. C'est la force des électrons qui tient les molécules ensemble. Pour comprendre comment celles-ci sont liées et comment ces liens évoluent, et pour éventuellement voir ces liens, il nous fallait une technologie capable de montrer ces choses à leur propre échelle temporelle et spatiale.

D'un point de vue historique, l'Homme apprend depuis des siècles à mesurer des choses de plus en plus rapides. Il y a quelques siècles, l'être humain s'efforçait de perfectionner les horloges pour naviguer autour du globe. Il y a cent ans, on développait les premières photographies d'un cheval au galop. À présent, nous pouvons filmer les molécules et des choses semblables.

Paul Corkum

Paul Corkum

Q : Qu'espère-t-on découvrir?

R : Il est encore un peu tôt pour le dire. Nous n'avons jamais été si vite et avons dû créer une technologie totalement inédite pour cela. Mais il faut un certain temps avant de savoir tout ce qu'implique une nouvelle technologie. Nous avons déjà appris quelque chose qui paraissait impossible il y a quelques années à peine, à savoir qu'on peut prendre des photos à la résolution d'un angström, bref voir les électrons et les atomes dans les molécules. Bien sûr, à présent, nous aimerions les filmer. Mais filmer quoi, au juste? En électronique, la tendance va vers le très petit. Nous essayons de fabriquer des composants électroniques avec des molécules. La science de l'attoseconde pourrait nous aider à voir comment le courant circule dans une molécule. On pourrait aussi étudier la dynamique des molécules en prenant des images tridimensionnelles. Un de nos rêves serait de trouver le moyen de cartographier en trois dimensions les molécules dans la cellule.

Q : Pourquoi le laboratoire de recherche conjoint en science de l'attoseconde a-t-il été mis sur pied?

R : La science de l'attoseconde a tant progressé qu'elle a maintenant besoin d'un foyer tant universitaire que gouvernemental. Dans le cadre du partenariat du JASLab, l'Université d'Ottawa fournira de jeunes chercheurs et l'encadrement académique nécessaire aux étudiants de troisième cycle; de son côté, le CNRC procurera ses compétences spécialisées dans la science de l'attoseconde et dans l'exploitation de grandes installations scientifiques. Le JASLab fera d'Ottawa la capitale mondiale de la science de l'attoseconde.

Q : Pouvez-vous nous décrire le JASLab?

R : Ce laboratoire de 2 millions de dollars a été spécialement conçu pour abriter un système laser à la fine pointe de la technologie. L'équipement est si sensible que le laser a été posé sur des tables alvéolées de 60 centimètres d'épaisseur flottant sur un coussin d'air. La dalle en béton constituant le plancher est séparée du reste du bâtiment afin d'éliminer les vibrations causées par les gens qui marchent aux alentours. Enfin, des unités spéciales de climatisation maintiennent constants la température, le taux d'humidité et la pression atmosphérique dans la pièce, quelle que soit la saison à Ottawa.

Le JASLab abrite le flash le plus rapide au Canada ' un flash si rapide qu'il fige les électrons dans leur déplacement autour de l'atome.

Q : Qu'en est-il du système laser?

R : Nous avons commencé avec un laser qui génère 80 millions d'impulsions lumineuses à la seconde. Cette technologie est la même que celle employée dans les horloges atomiques les plus récentes et les plus précises de par le monde. Les impulsions sont si précises que l'erreur ne dépasse pas une partie par billion. On amplifie une de ces impulsions ' un peu comme un amplificateur audio le fait avec le son. Toutefois, quand elle sort de l'amplificateur laser, l'impulsion est beaucoup plus puissante que le plus gros des réacteurs CANDU. (Heureusement, cette dépense d'énergie n'apparaîtra pas sur la facture d'électricité du JASlab, car le compteur ne fonctionne que durant quelques milliers d'attosecondes!) Une impulsion lumineuse d'une telle intensité est nécessaire pour arracher les électrons de tous les atomes et de toutes les molécules sur son chemin. C'est ce qui déclenche le processus de production d'impulsions d'une attoseconde.

Q : Comment le système laser réussit-il à photographier les atomes?

R : Comme vous le savez, la lumière est une onde, dont la force agit sur l'électron. Si l'atome ou la molécule sont éclairés par une lumière assez intense, on peut en arracher un électron. L'onde lumineuse déplace l'électron, mais elle change ensuite de sens et l'électron est ramené vers l'atome ou la molécule, se déplaçant un peu comme un bouchon sur une vague. S'il entre en collision avec l'atome ou la molécule qu'il a quitté, l'électron en gardera la marque. C'est cette marque ou image que l'impulsion d'une attoseconde fait apparaître lors de la collision.

Q : Que représente ce laboratoire pour la science de l'attoseconde? Y en a-t-il de semblables dans le monde?

R : Comme vous vous en doutez, beaucoup de laboratoires se lancent dans la partie. Nous ne sommes donc plus tout à fait les seuls. Notre laboratoire est le seul à pouvoir produire des impulsions isolées d'une attoseconde au Canada. Nous espérons néanmoins modifier la situation rapidement et diffuser la technologie d'un bout à l'autre du pays. À ma connaissance, un seul laboratoire aux États-Unis est en mesure de produire des impulsions individuelles, et il y en a deux en Europe.

Mais nous sommes uniques d'une autre manière. Le Canada compte une foule d'excellents chercheurs dans cette branche générale des sciences ' particulièrement le long de ce que j'appelle le « corridor multiphoton » du Canada, qui va d'Ottawa à Québec. Une telle concentration de cerveaux, surtout à Ottawa, nous permet de comprendre mieux que personne la nature de cette science et ce qu'elle peut apporter. Fin

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