Dénonciation d'un crime contre l'humanité

dimanche 22 septembre 2013

Impulsions femtosecondes infrarouges

Extrait

Hertz avait engendré ses premières ondes radio à l’aide de commutations de tensions à l’échelle des nanosecondes. Un siècle plus tard, l’emploi de lasers pico- et subpicosecondes a permis d’étendre cette même méthode au domaine micro-onde, donnant ainsi lieu à la génération de monocycles térahertz (1 THz = 1012Hz). En associant ce principe à des processus optiques non linéaires instantanés et en utilisant les impulsions optiques parmi les plus brèves disponibles actuellement, c’est-à-dire de l’ordre de dix femtosecondes, nous avons pu atteindre l’infrarouge moyen. Les impulsions infrarouges femtosecondes ainsi produites ne contiennent qu’un ou deux cycles de champ électromagnétique et, de ce fait, couvrent une gamme spectrale très étendue, comprenant ici l’ensemble des longueurs d’onde supérieures à cinq microns. Ce domaine spectral, qui était couvert jusqu’à présent principalement par les lasers à électrons libres, revêt une grande importance pour l’étude directe des excitations vibrationnelles dans les systèmes moléculaires, en particulier biologiques. Un autre domaine d’application très intéressant est celui des matériaux semiconducteurs, dans lesquels nous avons en particulier mis en évidence l’oscillation d’un paquet d’ondes électroniques dans un puits quantique asymétrique.

La spectroscopie femtoseconde permet d’étudier la matière avec une résolution temporelle inégalée, rendant possible l’observation et la compréhension des processus élémentaires ultra-rapides qui gouvernent les premières étapes de multiples phénomènes en physique, chimie ou biologie. 

Cela n’a été possible que grâce au développement lors des dix ou vingt dernières années de nouveaux lasers produisant des impulsions de plus en plus brèves, le record actuel étant de 5 fs (1 fs = 10–15 s). De telles durées d’impulsion sont ainsi parfaitement adaptées à l’étude des mouvements des noyaux accompagnant les transferts de charge en biophysique, pour lesquels l’échelle de temps caractéristique est la centaine de femtosecondes.

Une technique courante pour observer avec une telle résolution temporelle l’évolution des modifications structurales d’une molécule est la méthode pompe-sonde : une première impulsion déclenche le processus étudié, puis une seconde impulsion vient sonder l’état de la molécule.

En faisant varier le retard entre les deux impulsions, on peut alors reconstituer le film au ralenti de l’évolution moléculaire. Cependant, la conformation de la molécule n’est en général sondée que de façon indirecte, en raison de la longueur d’onde même du laser utilisé, le plus souvent située dans le visible ou le proche infrarouge.

Les impulsions sondes induisent ainsi des transitions entre états électroniques, et c’est seulement la faible variation des énergies de ces transitions en fonction des positions des noyaux qui permet d’en déduire une information indirecte sur les mouvements nucléaires. On peut certes envisager d’obtenir une information beaucoup plus directe sur les positions des noyaux en enregistrant littéralement un film de l’évolution
moléculaire, i.e. en prenant une succession de véritables photographies, l’impulsion sonde jouant alors le
rôle d’un simple flash.

Mais il faut pour cela disposer de longueurs d’onde particulièrement faibles, de l’ordre de l’angström, afin d’avoir accès à la résolution spatiale souhaitée. C’est cet objectif ultime de la dynamique structurale à l’échelle atomique qui justifie pour partie l’effort important actuellement consenti dans le développement de sources femtosecondes émettant dans le domaine des rayons X.
( source : cnrs )

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