ARCHIVÉ - Matériaux en évolution

Le 04 mai 2004 — Ottawa (Ontario)

La coopération internationale entre le Conseil national de recherches (CNRC) et le British Council sur le plan de la recherche a débouché sur des découvertes étonnantes dans le domaine des lasers ultra rapides. En effet, les chercheurs ont mis à jour de nouveaux phénomènes physiques et d'intrigantes possibilités quant à la modification des matériaux grâce aux impulsions des lasers à femtoseconde (lire l'encadré pour en savoir plus sur ces lasers).

De gauche à droite : Misha Ivanov, ISSM-CNRC, Lucien Gaier, Imperial College, Londres, G.-B. et Peter Knight, Imperial College, Londres, G.-B.

 

La science de la femtoseconde Quelle est la durée d'une femtoseconde? Voici une analogie. Le mois dernier, bon nombre d'entre nous ont avancé montres et horloges d'une heure pour passer à l'heure avancée de l'est. Puisque la grande aiguille des minutes effectue une révolution complète en une heure, un petit tour du cadran aura suffi à l'affaire. Imaginez maintenant que vous ayez dû arriver au même résultat avec une aiguille comptant les femtosecondes. Il y a 360 millions de milliards de femtosecondes dans une heure. Chaque printemps, l'aiguille devrait donc effectuer 360 millions de milliards de tours avant que l'heure change. Et juste au moment où vous termineriez ce travail, l'automne venu, il faudrait tourner l'aiguille 360 millions de milliards de fois en sens inverse pour reculer l'heure!

Les chercheurs de l'Institut Steacie des sciences moléculaires (ISSM-CNRC) et de l'Imperial College de Londres (Angleterre) étudient les impulsions des lasers ultra rapides (de 10 à 40 femtosecondes) dans l'espoir de modifier les matériaux transparents comme la silice fondue (le verre). L'objectif consiste à altérer les propriétés du matériau, à savoir à obtenir un verre à plus fort indice de réfraction qui guidera mieux la lumière et à recourir à ce processus pour graver avec précision de très petites structures photoniques dans le matériau. La réussite du projet aurait des retombées appréciables dans des domaines aussi variés que les télécommunications et la biotechnologie (lire l'encadré pour en apprendre davantage).

L'article publié récemment par l'équipe dans le Journal of Physics B a manifestement trouvé écho. Dans la semaine suivant sa parution, on l'a téléchargé une centaine de fois, nombre incroyable compte tenu du petit lectorat de ce périodique spécialisé.

Rien ne va plus

 

L'Internet et la rapidité des connexions ne cessant de s'accroître et véhiculant de plus en plus d'information, on a besoin de meilleures infrastructures pour accepter pareille masse de données. On sait depuis longtemps que les réseaux optiques, qui utilisent les ondes lumineuses pour transporter l'information, constituent un moyen efficace et rapide pour cela. La photonique trouve aussi de plus en plus application dans la recherche en biotechnologie, pour accélérer l'analyse des échantillons. C'est ce qu'on appelle la biophotonique. Les chercheurs du monde entier tentent de voir comment transmettre des données plus rapidement et plus efficacement. Parmi les obstacles à surmonter, mentionnons la perte d'intensité durant la transmission, l'intégration de plusieurs structures photoniques différentes sur le même dispositif et la création de structures particulières comme les guides d'onde, qui peuvent changer de direction et éliminer l'usage d'artifices pour réfléchir et relayer le signal plus loin sur la ligne. Une modification efficace et précise des matériaux employés en photonique est cruciale à l'aboutissement de ces recherches.

Selon Peter Knight, de l'Imperial College, président de l'Optical Society of America en 2004, les résultats obtenu par le groupe signifient que « rien ne va plus dans la théorie de la physique et de la dynamique des changements ultra rapides. » Les impulsions ultra brèves du laser à femtoseconde sont à la base de cette remise en question, car les résultats obtenus rappellent ceux qui exigent normalement une dépense d'énergie 1 000 plus élevée.

La modification des matériaux débute par leur ionisation, dans ce cas une ionisation dominante. L'ionisation est le processus qui permet à un atome d'acquérir une charge électrique par perte d'électrons.

Jusqu'à présent, on obtenait une ionisation dominante ou effet d'avalanche en générant un champ électrique de forte intensité. Pareille stimulation amène les électrons à « se trémousser », un peu comme si on les chatouillait. Lorsqu'il perdure, ce mouvement amène les électrons à s'entrechoquer et à se heurter à la structure en treillis de l'ensemble. Il y a production de chaleur, ce qui libère d'autres électrons et finit par endommager le matériau.

Les lasers à impulsions extrêmement brèves libèrent aussi des électrons, qui enclenchent l'ionisation, mais sans l'effet d'avalanche habituel qui s'étendrait et causerait des dommages. Au lieu de cela, les membres de l'équipe ont obtenu un effet « totalement nouveau et inattendu », s'il faut en croire M. Knight. Aussi inattendu que les feux de forêt.

Simulation de feu de forêt. De gauche à droite : les régions ionisées (en foncé) constituent 10%, 25% et 50% de la lattice.

 

Dans un feu de forêt, on compte de nombreuses poches à combustion intense, comme l'ont confirmé les photos des feux qui ont ravagé Kelowna (C.-B.) l'an dernier et ont inexplicablement rasé des quartiers entiers en laissant des habitations intactes. Dans le modèle « feu de forêt » de l'ionisation, on remarque une combustion intense et rapide à la lisière d' « îlots » renfermant une multitude d'électrons. Ces îlots, qui demeureront intacts après le passage du « feu », mesurent de un à plusieurs dizaines de nanomètres.

« Dans ce processus, les liaisons dans les matériaux se rompent très rapidement avant de se rétablir presque aussi vite, à la manière d'une dune qui se déplace et change de forme constamment sous l'effet des grains de sable qui se combinent et se recombinent rapidement. Les résultats obtenus avec le laser à brèves impulsions laissent croire que les méthodes classiques employées pour modifier les matériaux sont incomplètes », affirme le chercheur.

En bref, le processus donne des matériaux plus denses que jamais et à plus fort indice de réfraction, donc qui, au bout du compte, ont la capacité de guider la lumière. Les « îlots » également découverts lors de ces expériences ont une sorte de topographie qui pourrait s'avérer fort utile pour d'autres applications comme les nano-capteurs. Pour obtenir ces derniers, les chercheurs doivent poser à grand-peine de minuscules gouttelettes d'or ou d'autres substances sur une surface. Or, le nouveau processus d'ionisation par « feu de forêt » permet d'atteindre le même résultat automatiquement.

Misha Ivanov de l'ISSM-CNRC a accueilli avec joie la solide relation entre les deux partenaires. « Le protocole d'entente avec le British Council nous a permis de réunir des gens spécialisés dans des domaines très différents et de parvenir à des résultats qui auraient été irréalisables si chacun avait travaillé seul de son côté », estime-t-il. Ce projet de R-D est l'un des sept poursuivis dans le cadre de l'entente conclue entre le CNRC et le British Council.

---

Renseignements : Relations avec les médias
Conseil national de recherches Canada
613-991-1431
media@nrc-cnrc.gc.ca