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Flash au coeur de l'atome

Une équipe de chercheurs travaillant en Allemagne et en Autriche vient de réussir l'exploit de « voir » un électron quitter un atome, en le « photographiant » à l'aide d'un flash de rayons X de quelques milliardièmes de milliardième de seconde. Le physicien hongrois Ferenc Krausz, de l'université de technologie de Vienne, à la tête de l'équipe scientifique austro-allemande n'en est pas à son coup d'essai. Il est depuis des années un des pionniers de la discipline des lasers ultrarapides qui servent à étudier des processus microscopiques éphémères : les lasers femtosecondes. De la même manière que des flashs de quelques millièmes de seconde permettent de photographier une balle de revolver en plein vol ou de décomposer le rebond d'une goutte d'eau, les scientifiques produisent depuis quelques années des impulsions lumineuses de quelques millionièmes de milliardième de seconde, des femtosecondes, pour saisir le déroulement des réactions chimiques entre des groupes d'atomes, ou molécules. Pour capturer des phénomènes qui se déroulent à l'intérieur même des atomes, comme les mouvements ultrarapides des électrons, et non plus entre des groupes de plusieurs atomes, il faut en effet des flashs encore plus rapides que ce qui existait il y a quelques années. Dans cet exercice, l'échelle la plus petite que l'on cherche à discerner est le temps mis par un électron pour faire le tour de son noyau de proton, dans le plus petit atome qui soit, l'hydrogène ; soit une durée de 24 attosecondes. On n'est pas encore capable d'atteindre cette limite, mais on s'en rapproche petit à petit, puisqu'il y a tout juste un an, Ferenc Krausz et ses collègues s'étaient fait remarquer avec un nouveau record, une impulsion de seulement 650 attosecondes. Pour donner une idée de l'exploit, le pinceau d'une impulsion lumineuse d'un peu plus d'une seconde s'étire de la Terre à la Lune alors qu'une impulsion de 650 attosecondes n'arrive même pas à s'étendre sur la longueur de deux minuscules virus, soit 0,2 micromètre ! Si l'électron du petit atome d'hydrogène est encore trop rapide pour être mesuré aujourd'hui, les physiciens se sont attaqués à ceux qui orbitent dans des atomes de krypton, un gaz rare plus lourd que le néon et l'argon. En effet, si on imagine un atome comme une grappe de petits électrons orbitant à toute vitesse autour d'un gros noyau de protons et de neutrons, on comprend que plus l'atome est gros, plus les électrons mettent de temps pour en faire le tour. Dans l'expérience présentée par les chercheurs, les flashs ultrarapides ont en fait deux usages bien distincts. Un premier flash va d'abord frapper l'atome, pour en perturber les électrons, et un deuxième arrive juste après pour observer l'agitation ainsi induite. La première impulsion donne assez d'énergie à l'atome pour l'ioniser en lui retirant un électron des couches internes, créant un vide instable que l'atome va chercher à combler. Cette perturbation entraîne le mouvement de deux électrons. L'un vient combler le trou laissé vide, et l'autre, celui qui intéresse les chercheurs, est ejecté en dehors de l'atome. Le deuxième flash lumineux permet alors de capturer le moment exact ou celui-ci s'échappe de l'atome en émettant à son tour une petite impulsion lumineuse. Ceci leur permet de mesurer à quelques milliardièmes de seconde près le temps de ce processus. Au-delà de la prouesse technologique cette expérience ouvre de nouvelles possibilités d'études des processus qui ont lieu au coeur même des atomes, à l'échelle des électrons, protons et neutrons. Nature : http://www.nature.com/nature/

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