Le 15e prix Frontiers of Knowledge de la Fondation BBVA en sciences fondamentales a été décerné à Anne L’Huillier (Université de Lund, Suède), Paul Corkum (Université d’Ottawa, Canada) et Ferenc Krausz (Institut Max Planck d’optique quantique, Allemagne).

Les trois scientifiques récompensés par le prix Frontières de la connaissance de la Fondation BBVA sont les pionniers de la « physique de l’attoseconde » ou « attophysique », qui a permis d’observer des phénomènes subatomiques à l’échelle de temps la plus courte que l’homme puisse saisir.

« Les lauréats ont montré comment observer et contrôler le mouvement des électrons dans les atomes, les molécules et les solides avec des impulsions lumineuses ultracourtes sur des échelles de temps d’environ cent attosecondes. Une attoseconde correspond approximativement au temps que met la lumière à traverser un atome et constitue l’échelle naturelle du mouvement électronique dans la matière. Cette échelle de temps était jusqu’à présent inaccessible pour des études expérimentales en raison de l’absence d’impulsions lumineuses d’une durée suffisamment courte », note le rapport du jury.

Grâce à l' »attophysique », il est possible de faire des observations directes de phénomènes naturels qui étaient auparavant interdits à la perception humaine. « C’est une percée de pouvoir vérifier expérimentalement ce que jusqu’à présent nous ne pouvions imaginer que théoriquement. Cette interaction entre expérience et théorie inspire de nombreuses idées », a déclaré le président du jury, Theodor W. Hänsch, directeur de la division de spectroscopie laser à l’Institut Max Planck d’optique quantique (Allemagne) et lauréat du prix Nobel de physique.

L’attophysique », explique Paul Corkum, « consiste à effectuer les mesures les plus rapides que nous puissions faire en tant qu’êtres humains. Pour moi, cela la place à la pointe de la connaissance. Comme l’explique Paul Corkum, « une attoseconde est à une seconde ce qu’une seconde est à l’âge de l’univers. Pouvez-vous imaginer quelque chose d’aussi court ? En chiffres, une attoseconde est un trillionième de seconde, soit 0,0000000000000000000001 seconde.

« C’est l’échelle de temps à laquelle les électrons se déplacent dans tous les atomes dont la matière est composée, y compris notre propre corps », explique Fernando Martín, professeur de chimie physique à l’Université autonome de Madrid, directeur scientifique d’IMDEA-Nanoscience et auteur de la candidature des trois lauréats. « Par conséquent, pour pouvoir observer en temps réel comment les électrons se déplacent dans la matière, il nous fallait une technologie qui nous permette d’accéder à cette échelle de temps. C’est précisément ce que les trois lauréats ont réalisé », ajoute-t-il.

Les outils développés par L’Huillier, Corkum et Krausz sont comme une caméra avec un temps d’exposition ultra-rapide capable de capturer même le mouvement d’un électron qui prend 150 attosecondes pour faire une révolution complète autour du noyau d’un atome d’hydrogène.

Maintenant que la physique de l’attoseconde a clairement démontré son potentiel, les lauréats tentent de l’exploiter au maximum afin de mieux comprendre la matière dont la nature est composée et de développer des applications possibles dans des domaines tels que l’électronique et la biomédecine.

« Ce domaine de recherche se développe dans de nombreuses directions. J’ai eu le privilège d’y être depuis le début et j’ai vu les idées se développer, j’ai vu les grandes étapes de tout le processus. Je pense que le domaine sera divisé en sous-domaines », déclare M. L’Huillier. Pour le scientifique, le prochain défi consiste à aborder la science de l’information quantique.

Elle étudie actuellement les moyens d’observer de près des phénomènes tels que l’intrication, l’une des propriétés les plus surprenantes de la mécanique quantique, qui permet à deux particules distinctes, même distantes de plusieurs kilomètres, de se comporter ensemble d’une manière que la physique classique ne peut expliquer. Une compréhension aussi précise que possible de ce phénomène est susceptible d’ouvrir la voie au développement ultérieur des technologies quantiques.

Par ailleurs, la chercheuse explique que les lasers actuellement utilisés pour déclencher l’émission d’impulsions attosecondes sont très spécialisés. Elle envisage donc de développer des moyens d’utiliser des lasers plus courants, disponibles dans le commerce, pour générer le même effet. « Je pense qu’ils seront très utiles pour des applications plus standard, voire industrielles, de cette technologie », déclare-t-il.

Pour sa part, M. Corkum a déjà utilisé les impulsions attosecondes générées non seulement par des atomes uniques, mais aussi par des réseaux d’atomes semi-conducteurs tels que le silicium. Les semi-conducteurs sont à la base de toute l’électronique moderne, et le scientifique estime que la combinaison de toutes les connaissances antérieures sur ces matériaux avec la nouvelle possibilité de leur faire émettre des impulsions attosecondes constitue « une technologie très puissante ».

Krausz pense également que l’attophysique peut conduire à une nouvelle révolution dans le domaine de l’informatique. « Les électrons jouent un rôle extrêmement important dans les nanocircuits, ils sont responsables de l’activation et de la désactivation du courant électrique et donc du traitement des informations à des vitesses toujours plus grandes. Si nous voulons accélérer le traitement du signal pour construire des ordinateurs toujours plus puissants, là encore, nous devons comprendre comment les électrons se déplacent dans ces dimensions minuscules. Et ce faisant, nous avons la possibilité de faire progresser le traitement des signaux électroniques jusqu’à sa limite ultime », dit-il.

En outre, Krausz a commencé à explorer le potentiel biomédical des impulsions attosecondes pour diagnostiquer les maladies. Il explique que lorsque toutes les cellules sont retirées d’un échantillon de sang, ce qui reste est le plasma sanguin ou le sérum sanguin (selon la façon dont il est préparé). Les molécules qui y résident contiennent des informations précieuses sur l’état de santé de l’individu auquel elles appartiennent, et le chercheur étudie les moyens d’utiliser les impulsions attosecondes pour extraire ces informations.

Krausz travaille actuellement à la validation des résultats par le biais d’un essai clinique pluriannuel portant sur 10 000 personnes, et estime qu’il pourrait être mis en œuvre d’ici une décennie.