Prix Nobel de physique 2018
C’est devenu une habitude depuis plusieurs années, et celle-ci ne déroge pas : la remise des prix scientifiques, qu’ils soient de mathématique ou de physique est pour nous l’occasion de chercher le lien susceptible d’exister entre les études qui justifient l’attribution du prix et Joseph Fourier, a qui ce site est dédié. Cette quête souvent fructueuse nous permet d’entrevoir de nouveaux domaines recherches.
Le prix Nobel de physique 2018 est attribué à Arthur Ashkin [1], Gérard Mourou et Donna Strickland. Le 2 octobre 2018, est décerné à 11 h 45 le prix Nobel de physique. Il est attribué à Arthur Ashkin, Gérard Mourou et Donna Strickland pour leurs travaux sur la physique des lasers. Les trois chercheurs sont récompensés pour leurs travaux sur la physique des lasers et leurs applications.
La Canadienne Donna Strickland et le Français Gérard Mourou ont été récompensés pour la mise au point d’une méthode pour générer des impulsions ultracourtes et à haute intensité à l’aide d’un laser. Et pas qu’un peu. Il s’agit des impulsions laser les plus intenses et les plus courtes jamais mises au point par l’humanité.
Leur technique baptisée « Amplification par dérive de fréquence » (« chirped pulse amplication », ou CPA en anglais) consiste à modifier, à l’aide d’un système optique une impulsion ultracourte initiale émise par un laser « classique ». Cette impulsion, de l’ordre de la nanoseconde, est étirée puis amplifiée et recompressée. Résultat : est émis à la sortie du dispositif une impulsion lumineuse ultracourte (de l’ordre de la femtoseconde (10-15 seconde) dont la puissance peut atteindre le pétawatt (1015 W). Cette technique permet donc d’amplifier la puissance initiale d’un laser par un facteur 1 000 à 100 000, et d’accélérer des particules jusqu’à des énergies de l’ordre du GeV (gigaélectronvolt), sur des distances extrêmement courtes.
Le principe des peignes de fréquence femtosecondes qui a poussé la spectroscopie hors de ses limites traditionnelles est développé dans un article du site images de la physique. Sa lecture nous permet de faire le lien avec Fourier a qui ce site est dédié.
La spectroscopie par transformation de Fourier fait partie des avancées majeures en instrumentation scientifique de la seconde moitié du XXe siècle. Cette recherche fondamentale de méthodologie instrumentale a été motivée initialement par le besoin d’explorer le domaine infrarouge. Ce domaine, zone des transitions optiques intenses observables en émission ou en absorption, permet de comprendre la matière sous ses formes les plus diverses (atomes, molécules, en phases gazeuse, liquide, ou solide).
Aujourd’hui, cette méthode couvre la totalité de la gamme spectrale s’étendant de l’infrarouge lointain à l’extrême ultraviolet. Les spectromètres de Fourier basés sur l’interféromètre de Michelson sont disponibles commercialement et sont des outils de base dans beaucoup de domaines de recherche ou de diagnostic, en physique, chimie, biologie, médecine et dans l’industrie.
Les progrès spectaculaires apportés par la spectroscopie de Fourier résultent des utilisations optimales du temps d’observation et de la lumière disponible. La méthode démontre, comparée à la spectroscopie de Fourier basée sur l’interféromètre de Michelson, une amélioration d’un facteur un million sur les temps d’enregistrement, à rapport signal-sur-bruit identique.
Une telle impulsion peut faire office de nano scalpel ultra-précis, permettant de forer ou de trancher dans de nombreux matériaux. Avantage du dispositif, il permet de tailler avec un minimum de dégâts dus à l’onde de choc lors de l’impact contre le tissu biologique, ou à l’échauffement consécutif à son utilisation.
Des lasers de ce type sont aujourd’hui couramment utilisés en chirurgie optique, dans les opérations de remodelage de la cornée, mais aussi pour traiter les glaucomes ou la cataracte. Gérard Mourou, le lauréat français, enseigne l’Ecole polytechnique et a proposé depuis d’autres concepts de lasers de puissance, dont l’un s’appuie sur un « fagot » de fibres optiques ; il a également proposé d’utiliser des lasers de puissance pour réduire la pollution engendrée autour de la Terre par les débris spatiaux.
Donna Strickland, chercheuse à l’Université de Waterloo dont les travaux ont été clés pour la mise au point de cette technologie, devient ainsi la troisième femme après Maria Goeppert-Mayer (1963) et Marie Curie (1903) à être récompensée du Nobel de physique.
L’Américain Arthur Ashkin a été récompensé pour ses travaux sur des « pincettes optiques » et ses applications aux dispositifs biologiques. Sans recourir à l’extrême puissance développée par les deux autres co-lauréats, il a démontré qu’un laser pouvait exercer une force suffisante (pression de radiation) sur une sphère pour la mettre en mouvement ou la faire se déplacer. En faisant passer le faisceau laser à travers une lentille, le chercheur a pu maintenir la sphère en place, et de la déplacer précisément à l’aide du laser, comme si on la tenait à l’aide d’une petite pince.
L’intérêt de cette pince optique, est qu’elle permet de manipuler avec une grande précision et surtout sans les abîmer, des éléments biologiques tels que des cellules vivantes, voire des objets aussi petits que des virus ou des protéines. Ces nouveaux outils offrent aux chercheurs la possibilité de manipuler le vivant à l’échelle nanométrique sans l’endommager.
[1] Il n’est pas certain, au vu des informations dont nous disposons, que les travaux d’Arthur Ashkin soient reliés aux travaux de Fourier, alors que cela semble clair pour les deux autres co-lauréats, mais il serait malséant de taire le nom d’un de ceux que l’académie de Suède a souhaité réunir dans un hommage mérité.
