L'Académie royale des sciences de Suède a le plaisir d'annoncer le 3 d'octobre que Prix Nobel de physique 2023 sera décerné aux scientifiques exceptionnels Pierre Agostini, Ferenc Krausz et Anne L'Huillier pour leurs contributions pionnières à la génération et à l'application d'impulsions lumineuses attosecondes, une technologie révolutionnaire qui vous permet d'explorer le monde microscopique avec une précision sans précédent.
Table des matières
- Que sont les attosecondes et les lasers attosecondes?
- Les impulsions lumineuses attosecondes stimulent la recherche scientifique
- Perspectives d'application de l'optique attoseconde dans le domaine médical
- Perspectives des lasers attosecondes comme moteur de la nouvelle ère des technologies de l'information électronique
- Impact de la technologie attoseconde sur l'industrie énergétique
- Le profond impact de la technologie attoseconde sur l’avenir de l’humanité
Que sont les attosecondes et les lasers attosecondes?
Une attoseconde est une unité de temps égale à un milliardième de milliardième de seconde., qui s'exprime par 10^(-18) secondes. Contrairement aux picosecondes et aux femtosecondes, qui sont des normes dans la mesure du temps, les attosecondes offrent une bien plus grande précision, permettant l'observation d'événements et de mouvements extrêmement rapides et fugaces. La recherche sur les attosecondes est d'une grande pertinence, car il fournit aux scientifiques un outil et une méthode complètement nouveaux pour explorer en profondeur les lois et les propriétés qui régissent le mouvement des particules microscopiques dans le monde de la matière..
Souvent, Les gens associent les lasers aux couleurs, mais en réalité, La couleur d'un laser est déterminée par sa fréquence ou sa longueur d'onde. Il existe une relation simple entre la fréquence et la longueur d'onde d'un laser, et son produit est égal à la vitesse de la lumière. Pour les experts du domaine, la description d'un laser comprend un paramètre critique: durée de pouls, également connu sous le nom de largeur d'impulsion.
La durée de l'impulsion fait référence à l'intervalle de temps entre les impulsions laser, c'est-à-dire, la période qui sépare chaque émission laser. Initialement, les lasers émettaient de la lumière en continu, comme un jet d'eau qui coule sans interruption. Cependant, Les scientifiques ont découvert qu'en divisant l'émission laser en impulsions, il était possible d'obtenir une plus grande puissance. Plus la durée d'impulsion d'un laser est courte, plus sa fréquence d'émission est grande et, en conséquence, plus l'énergie de chaque impulsion laser est grande.
Le laser attoseconde
Le laser attoseconde est le laser avec l'intervalle de temps le plus court jamais créé par l'humanité., une réalisation qui a valu cette année le prix Nobel de physique à ses créateurs. La technique de génération de lasers attosecondes consiste à impacter un laser femtoseconde sur un gaz inerte., conduisant à la génération de lasers attosecondes avec une durée d'impulsion encore plus courte. Différents gaz inertes choqués génèrent différents types de lumière attoseconde.
Concrètement, Cette technologie est basée sur l'interaction non linéaire entre le laser et la matière. Quand un laser puissant frappe des molécules de gaz, élimine les électrons des noyaux atomiques, créer un plasma. Ces électrons sont accélérés par le champ laser puis attirés vers les noyaux., libérant des rayons X de haute énergie. Ces rayons X sont des impulsions lumineuses attosecondes, qui ont une fréquence et une cohérence élevées, ce qui leur permet de traverser la matière et d'avoir des interactions intenses avec les électrons.
Recherche en attosecondes
La recherche sur l'attoseconde a commencé à faire l'objet d'une attention et d'études généralisées à la fin du 20e siècle et au début du 21e siècle.. Dans 1999, Le scientifique Ahmed Zewail a reçu le prix Nobel de chimie pour ses recherches en spectroscopie femtoseconde, marquant une étape importante dans la recherche sur l’attoseconde. Alors, avec le développement et l'application de lasers ultracourts et ultraforts, Cette technologie a reçu le prix Nobel de physique en 2018. Cette année, la recherche sur les lasers attosecondes a de nouveau été récompensée par le prix Nobel de physique, réaffirmant son importance dans la science.
Actuellement, les impulsions optiques les plus courtes du monde durent 53 attosecondes et 43 attosecondes. Cette unité de temps est si éphémère qu’elle peut être décrite de nombreuses manières intéressantes.. Par exemple, niveau attoseconde, La distance que la lumière peut parcourir n’est que la longueur d’une molécule d’eau.. Une autre façon d’illustrer sa fugacité est de comparer 1 attoseconde avec 1 deuxième, ce qui équivaut à comparer 1 deuxième avec l'âge de l'univers, soulignant la brièveté et la petite échelle de temps des attosecondes.
Les impulsions lumineuses attosecondes stimulent la recherche scientifique
La technologie des impulsions lumineuses attosecondes a fourni à la communauté scientifique un outil sans précédent pour observer et contrôler le mouvement des électrons., ce qui a permis de progresser dans la compréhension des processus rapides et complexes en la matière. Ses applications s'étendent à un large éventail de disciplines:
Physique des atomes et des molécules
Les impulsions attosecondes sont utilisées pour étudier la structure électronique et la dynamique des atomes et des molécules, y compris des processus tels que l'imagerie des orbites électroniques, ionisation et excitation.
Physique du solide
Ces impulsions sont appliquées à l'étude des propriétés électroniques, Phononique et magnétique dans les matériaux solides, permettant d'étudier les changements ultrarapides de ces propriétés.
Cinétique des réactions chimiques
Les scientifiques les utilisent pour étudier les mécanismes microscopiques des réactions chimiques, ce qui inclut la compréhension des coordonnées de réaction, états de transition et taux de réaction.
Biophysique moléculaire
La technologie est utilisée pour étudier la structure et la fonction des molécules biologiques, qui a des applications dans l'étude des protéines et autres molécules essentielles à la vie.
Nanooptique
Permet d'étudier les phénomènes optiques à l'échelle nanométrique, tels que les plasmons de surface et les réponses optiques des nanostructures.
Science des rayons X
Les impulsions attosecondes sont utilisées pour générer des rayons X à haute luminosité, qui permet une résolution temporelle et spatiale dans les techniques de rayons X.
Perspectives d'application de l'optique attoseconde dans le domaine médical
Dans le domaine de la médecine et de la biologie, L'optique attoseconde a été largement utilisée pour l'imagerie, l'analyse et le diagnostic des cellules et des tissus.
La technologie d'imagerie attoseconde fournit des images tridimensionnelles haute résolution qui permettent l'observation de la microstructure et de la fonctionnalité des cellules et des tissus.. Par exemple, Le microscope attoseconde permet l'observation des mouvements moléculaires et des réactions chimiques à l'intérieur des cellules, ce qui facilite l’étude du métabolisme cellulaire et de la transmission du signal. En outre, L’imagerie attoseconde est utilisée pour étudier l’activité neuronale et la fonction cérébrale, permettant l'observation des signaux électriques neuronaux et des signaux calciques, et facilite l'étude de la cognition et du comportement du cerveau.
En dernier recours, les impulsions lumineuses attosecondes aideront à comprendre, au niveau microscopique (en termes de mouvement des électrons), les causes, le développement et la formation fondamentale des maladies. Par exemple, les impulsions lumineuses attosecondes peuvent être utilisées pour identifier les marqueurs du cancer. En cas de transformation maligne de cellules normales, un diagnostic et un traitement précoces sont cruciaux. Cependant, aux premiers stades du cancer, les signaux des cellules malignes sont très faibles et atténués des milliers de fois. Lorsque les méthodes conventionnelles ne peuvent pas détecter ces signaux, les impulsions lumineuses attosecondes peuvent les extraire avec une grande sensibilité.
Dans le futur, La technologie attoseconde devrait permettre un contrôle complet des processus de réaction biochimique, qui mènera aux résultats escomptés et souhaités.
Perspectives des lasers attosecondes comme moteur de la nouvelle ère des technologies de l'information électronique
L'électronique moderne évolue vers l'échelle atomique, tant en termes de temps que d'espace, ce qui signifie qu'il y a la possibilité de fabriquer des circuits au niveau atomique et de contrôler le courant à l'aide de champs photoélectriques.
La technologie des impulsions lumineuses attosecondes a ouvert la voie au développement d'appareils électroniques ultrahertz, ce qui pourrait augmenter la vitesse de fonctionnement des appareils électroniques de plusieurs ordres de grandeur et éventuellement résoudre le problème de l'échauffement excessif des appareils électroniques. Cela pourrait devenir un moteur clé d’une nouvelle révolution dans les technologies de l’information électronique..
Selon une étude publiée dans la revue Nature, 12 Octobre, Des chercheurs de l'Université du Michigan aux États-Unis et de l'Université de Regensburg en Allemagne ont réussi à capturer le mouvement des électrons en centaines d'attosecondes., vitesse la plus rapide enregistrée jusqu'à présent. L’observation du mouvement des électrons par incréments d’attosecondes pourrait aujourd’hui augmenter la vitesse de traitement des ordinateurs jusqu’à un milliard de fois..
Impact de la technologie attoseconde sur l'industrie énergétique
Dans 2013, Le laboratoire de physique attoseconde de l'Institut d'optique Max Planck en Allemagne a découvert que des impulsions laser ultracourtes et de grande puissance peuvent modifier les propriétés électriques de Matériaux isolants, générer des oscillations électriques ultra-rapides et du courant dans les isolateurs. Ces oscillations électriques et de courant sont directement liées à l'activation et à la désactivation du laser incident., suggérant que la conversion d'un isolant en conducteur se produit en quelques attosecondes. Cette expérience démontre que les propriétés fondamentales de conduction des matériaux peuvent augmenter ou diminuer avec la vitesse d’oscillation du champ lumineux..
S’il est possible de transformer des isolants en conducteurs grâce à la technologie attoseconde, los câbles pour l'électricité du futur pourrait permettre un transfert et un stockage d’énergie plus rapides et plus efficaces. Actuellement, des impulsions lumineuses attosecondes sont utilisées pour étudier les mécanismes de transfert de charge entre les électrons et les trous dans de nouveaux matériaux, qui permet de contrôler le processus de transfert électronique et de faire progresser la recherche sur les technologies supraconductrices.
La technologie attoseconde peut également être utilisée pour étudier les mécanismes microscopiques de conversion et de stockage d’énergie., comme dans systèmes de panneaux solaires, piles à combustible et batteries. Cela contribuera au développement de technologies énergétiques plus efficaces et plus durables..
Le profond impact de la technologie attoseconde sur l’avenir de l’humanité
La technologie des impulsions lumineuses attosecondes a le potentiel de générer des avancées significatives dans les domaines scientifiques et technologiques, ce qui en fait l'une des orientations de développement les plus importantes dans la science du laser pour la prochaine décennie.
Les lauréats du prix Nobel de physique 2023, Pierre Agostini, Ferenc Krausz et Anne L'Huillier, ont ouvert la voie à une nouvelle ère de recherche et d'application sur l'attoseconde. Son travail a révolutionné notre capacité à explorer et à comprendre le monde microscopique., et leurs contributions auront un impact durable sur la science, la technologie et la société en général. L’avenir promet des avancées extraordinaires grâce à cette technologie innovante.