22 August 2018 | La Revue POLYTECHNIQUE

Libérer l’électron pour mieux le piéger

Des chercheurs de l’UNIGE et du MBI de Berlin ont pour la première fois placé un électron dans un double état – ni libéré ni lié–, confirmant ainsi une hypothèse datant des années 70. Cette découverte va jouer un rôle fondamental dans les théories et les prédictions sur la propagation des lasers intenses.

Les atomes sont formés d’électrons gravitant autour d’un noyau central auquel ils sont liés. Les électrons peuvent aussi être arrachés de leur noyau à l’aide du champ électrique d’un puissant laser. Dans les années 70, deux théoriciens, Hendrick Anthony Kramers et Henneberger, se sont demandé s’il était possible de libérer l’électron de son noyau, tout en le gardant captif du rayon laser. Cette hypothèse, jugée impossible par bon nombre de scientifiques, vient d’être confirmée par des physiciens de l’Université de Genève (UNIGE) et de l’Institut Max Born pour l’optique non linéaire et la spectroscopie (MBI) de Berlin.

Pour la première fois, ces chercheurs ont réussi non seulement à contrôler la forme de l’impulsion laser afin d’y maintenir l’électron libéré de son noyau, mais aussi à réguler à leur guise la structure électronique de cet atome habillé par le laser. Ils ont également identifié une «zone de non droit», surnommée «Vallée de la mort», dans laquelle les physiciens perdent tout pouvoir sur l’électron. Ces résultats, à lire dans la revue Nature Physics, bouleversent les théories et prédictions touchant à l’ionisation de la matière.

Représentation schématique du potentiel de Kramers Henneberger formé par la juxtaposition du potentiel atomique et d’un puissant faisceau laser.

Agir sur les oscillations naturelles de l’électron

Selon les théories actuelles, plus le laser est intense, plus il est facile d’ioniser l’atome, c’est-à-dire d’arracher les électrons au champ électrique de leur noyau et de les libérer dans l’espace. «Mais une fois l’atome ionisé, les électrons quittent non seulement le champ électrique du noyau de l’atome, mais aussi celui du laser», explique Jean-Pierre Wolf, professeur à la Section de physique de la Faculté des sciences de l’UNIGE. «Nous avons alors voulu savoir s’il était possible de les piéger dans le laser, une fois libérés de leur noyau, comme le suggère l’hypothèse de Kramers et Henneberger», ajoute-t-il.

Le seul moyen d’y parvenir est de trouver la bonne forme de l’impulsion du laser à appliquer, afin d’imposer à l’électron des oscillations parfaitement semblables pour que son énergie et son état restent stables. «En effet, l’électron oscille naturellement dans le champ du laser, mais ces oscillations ne sont pas régulières et poussent l’électron à modifier sans cesse son niveau d’énergie et donc son état, raison pour laquelle il s’échappe du champ électrique du laser», complète Mikhail Ivanov, professeur au Département théorique du MBI de Berlin.

Moduler l’intensité du laser pour éviter la «Vallée de la mort»

Les physiciens ont testé plusieurs intensités de laser pour obtenir la régularité des oscillations de l’électron libéré de son noyau. Ils ont alors fait une découverte surprenante. «Contrairement aux théories actuelles qui suggèrent que plus le laser est intense, plus il est facile de séparer l’électron, nous avons découvert qu’il y a une limite d’intensité où nous ne pouvons plus ioniser l’atome. Passé ce seuil, nous retrouvons la possibilité de le juguler», constate Mikhail Ivanov. Les chercheurs ont nommé cette limite la «Vallée de la mort», proposition faite par le professeur Joe Eberly de l’Université de Rochester.

Après plusieurs réglages, les physiciens de l’UNIGE et du MBI ont réussi, pour la première fois, à libérer l’électron de son noyau, puis à le piéger dans le champ électrique du laser, comme le suggéraient Kramers et Henneberger. «En appliquant une intensité de 10¹⁴ W/cm², nous avons pu franchir le seuil de la vallée de la mort et piéger l’atome dans un cycle d’oscillations régulières au sein du champ électrique du laser», s’enthousiasme Jean-Pierre Wolf. À titre de comparaison, l’intensité du Soleil sur la Terre est de l’ordre de 100 W/m².

Confirmer une vieille hypothèse qui révolutionne la théorie

En plaçant l’électron dans un double état, ni lié ni libéré, les chercheurs ont trouvé le moyen de manipuler ses oscillations comme ils le souhaitent, ce qui leur permet d’agir directement sur la structure électrique de l’atome. «Ceci nous donne la possibilité de créer de nouveaux atomes habillés par le champ du laser, avec de nouveaux niveaux d’énergie des électrons», explique Jean-Pierre Wolf. «On pensait que ce double état était impossible à réaliser et nous venons de prouver le contraire. Ceci va jouer un rôle fondamental dans les théories et les prédictions sur la propagation des lasers intenses», conclut-il.

Prof. Jean-Pierre Wolf

Section de physique de la Faculté des sciences

UNIGE

Tél. 022 379 05 03

Jean-Pierre.Wolf@unige.ch