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Faits marquants scientifiques 2023

21 novembre 2023

La possibilité de produire des flashs de lumière de durée attoseconde offre l'outil nécessaire pour suivre la dynamique des électrons dans les atomes, les molécules ou la matière condensée, ce qui permet de mieux comprendre l'organisation et l'évolution de tout ce qui nous entoure. Ces impulsions laser ultra-courtes peuvent être obtenues par génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE), pierre angulaire de la science attoseconde. Les découvreurs au LIDYL de cette technique ont été récompensés par le Prix Nobel de Physique 2023.

Le processus est principalement compris, sous sa forme classique, comme l'interaction d'un champ laser très intense avec la matière. Une nouvelle expérience menée par l'équipe ATTO du LIDYL montre que le processus peut maintenant être aussi compris comme une superposition de processus photoniques quantifiés et simultanés. Pour ceci, deux faisceaux laser non colinéaires sont focalisés sur le milieu générateur pour produire la GHOE. En jouant sur l'intensité relative et les profils spatiaux des deux faisceaux d'entrée, il est montré que la génération d'une harmonique résulte de l'addition cohérente de plusieurs processus qui interférent : au-delà du nombre minimum de photons requis pour produire une harmonique donnée, chaque canal implique une ou plusieurs paires de photons supplémentaire, associées à la combinaison d'autant d'absorptions et d'émissions stimulées.

Un modèle très simple dénombrant les différentes voies contributives est proposé et permet de rendre compte des résultats expérimentaux. Cette approche est un nouveau pas décisif dans la longue quête d'une "image photonique" de la GHOE, qui offre de nouvelles pistes de réflexions sur les processus quantiques en jeu dans le régime en champ fort.

10 octobre 2023

Pierre Agostini est un physicien français pionnier de la physique ultrarapide à l’échelle de l’attoseconde (le milliardième de milliardième de seconde), actuellement Professeur émérite à l’Université d’état de l’Ohio. Le Prix Nobel de physique 2023 lui a été décerné le 3 octobre 2023, pour ses travaux effectués pendant sa carrière au CEA-Saclay. Il partage ce prix avec sa collègue, Anne L’Huillier, qui travaillait dans le même laboratoire du CEA, et Ferenc Krausz de l'Institut Max-Planck d'optique quantique, à Munich.

Par ses études pionnières de l’ionisation atomique en champ laser intense, Pierre Agostini a forgé les outils de la métrologie attoseconde, qui allaient lui permettre de mesurer les flashs de lumière les plus brefs jamais produits, ouvrant la voie à leur utilisation pour sonder les mouvements électroniques dans la matière.

07 octobre 2023

Anne L’Huillier est une physicienne franco-suédoise pionnière de la physique ultrarapide à l’échelle de l’attoseconde (le milliardième de milliardième de seconde). Pour ses travaux, le Prix Nobel de physique 2023 lui a été décerné le 3 octobre 2023, ainsi qu'à son collègue du CEA-Saclay, Pierre Agostini, et Ferenc Krausz de l'Institut Max-Planck d'optique quantique, à Munich.

En montrant en 1987 dans son laboratoire du CEA (le LIDYL aujourd'hui) qu'il est possible de produire des flashs de lumière attosecondes, les plus brefs jamais obtenus, Anne L’Huillier a apporté les méthodes pour étudier et contrôler les mouvements des électrons dans la matière, un domaine de recherche en plein essor à l’échelle internationale.

 

11 septembre 2023

L'électron est porteur de la charge électrique élémentaire et d'un spin. Avec l'avènement de la spintronique (ou électronique de spin), ou encore le fait que le spin peut être le support de l'information quantique (qubit), les recherches se poursuivent pour mieux comprendre et maitriser la dynamique du spin de l'électron.

Par des expériences conduites sur la plateforme laser ATTOlab du LIDYL au CEA-Saclay, une collaboration de scientifiques a réussi à étudier la dynamique de relaxation ultrarapide du spin de l'électron dans un cristal de WSe2, semi-conducteur dont la structure en feuillets bidimensionnels lui confère une structure électronique bien particulière. Le dispositif expérimental combine des impulsions laser ultrarapide, générées par optique non linéaire extrême et la spectroscopie de photoélectrons résolue en spin.

 

11 juillet 2023

Depuis les débuts de la science ultrarapide, le Laboratoire Interactions DYnamiques et Lasers (LIDYL) développe des sources lasers pulsées toujours plus performantes, afin d’explorer la matière diluée et condensée à des échelles de temps toujours plus fines, atteignant le domaine attoseconde (1 as=10-18 s).

Au début des années 90, une première révolution technologique a permis l’essor considérable du domaine, avec l’avènement des lasers Titane:Saphir, combinés à la technique d’Amplification à Dérive de Fréquence (CPA)*. Ce type de laser, permettant de générer par conversion de fréquence des impulsions attosecondes, s'est généralisé dans les laboratoires étudiant la dynamique ultrarapide, et la plateforme ATTOLab du LIDYL a été construite autour de ces dispositifs.

Ces dernières années, les performances des lasers basés sur l’ytterbium (milieu amplificateur : cristal de KGd(WO4)2, dopé Yb3+) ont fortement progressé : couplées à des techniques de postcompression temporelle, ces sources laser concurrencent maintenant celles des lasers Ti:Saphir (cristal de saphir Al2O3 dopé Ti3+) et ouvrent une nouvelle ère pour l’attophysique. La plateforme ATTOLab, dans sa volonté de rester à la pointe des performances, opère ainsi une migration d’ampleur vers ces systèmes pour l'année 2024 : quatre lignes de lumière attoseconde pilotées par lasers Ytterbium remplaceront les lignes Ti:Saphir existantes, avec des performances améliorées en terme de taux de répétition (40 à 100 kHz)  et fiabilité, associées à un moindre coût de fonctionnement, et une efficacité énergétique de l'ensemble de la chaine laser, 6 fois supérieure à celle des lasers Ti:Saphir.


 

*La CPA consiste à étendre dans le temps une impulsion laser avec des éléments dispersifs, afin de pouvoir l'amplifier sans dommage pour les éléments optiques, puis à la recomprimer temporellement.
03 avril 2023

La génération d’harmoniques d’ordre élevé (n > 10) dans un solide est un processus extrêmement non-linéaire, qui peut être observé lorsqu’un cristal interagit avec un champ laser intense. Elle se traduit par l’émission d’un rayonnement composé de tout un ensemble d'harmoniques de la fréquence du laser excitateur. Plusieurs mécanismes électroniques sont cependant évoqués pour rendre compte de cette observation : transition interbande ou oscillation des électrons intra-bande au sein de la bande de conduction.

L'étude par une équipe du LIDYL/DICO, en collaboration avec le Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), du processus sur un cristal de GaAs permet d'identifier sans ambiguïté les contributions de chacun de ces mécanismes, grâce à la structure électronique bien particulière du cristal.

Cette étude éclaire ainsi d'un jour niveau la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un solide, étape indispensable pour permettre le développement d'une future optoélectronique à la fréquence pétahertz (1015 Hz).

 

17 mars 2023

La spectroscopie utilise largement les effets de polarisation de la lumière pour explorer la structure électronique d'atomes, molécules ou de solides. En particulier une polarisation circulaire indique que la lumière porte un moment angulaire de spin (MAS) non nul, permettant les spectroscopies de dichroïsme circulaire. Un autre mode de polarisation, où le front d'onde est en rotation, est défini par son moment angulaire orbital (MAO). Ces deux moments angulaires (MAS et MAO) portés par les photons sont quantifiés par valeurs entières.

De façon étonnante, il a été récemment établi qu’on peut définir d’autres types de moment angulaire pour les faisceaux de lumière, tout aussi valides. Certains faisceaux, dont la polarisation est topologiquement équivalente à un ruban de Möbius (avec une périodicité d'une double rotation du front d'onde pour retrouver la situation initiale), portent ainsi un moment angulaire généralisé (MAG = MAO+1/2 MAS) quantifié par valeurs demi-entières : 1/2, 3/2, etc.

Ici, des expériences, menée par l'équipe ATTO du LIDYL et leurs collègues, montrent que le MAG peut être transféré à des harmoniques d'ordre élevé, et que les harmoniques conservent la topologie exotique du champ générateur. Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités en spectroscopie atomique et moléculaire, en particulier pour l'étude d’objets chiraux.

11 juillet 2023

Depuis les débuts de la science ultrarapide, le Laboratoire Interactions DYnamiques et Lasers (LIDYL) développe des sources lasers pulsées toujours plus performantes, afin d’explorer la matière diluée et condensée à des échelles de temps toujours plus fines, atteignant le domaine attoseconde (1 as=10-18 s).

Au début des années 90, une première révolution technologique a permis l’essor considérable du domaine, avec l’avènement des lasers Titane:Saphir, combinés à la technique d’Amplification à Dérive de Fréquence (CPA)*. Ce type de laser, permettant de générer par conversion de fréquence des impulsions attosecondes, s'est généralisé dans les laboratoires étudiant la dynamique ultrarapide, et la plateforme ATTOLab du LIDYL a été construite autour de ces dispositifs.

Ces dernières années, les performances des lasers basés sur l’ytterbium (milieu amplificateur : cristal de KGd(WO4)2, dopé Yb3+) ont fortement progressé : couplées à des techniques de postcompression temporelle, ces sources laser concurrencent maintenant celles des lasers Ti:Saphir (cristal de saphir Al2O3 dopé Ti3+) et ouvrent une nouvelle ère pour l’attophysique. La plateforme ATTOLab, dans sa volonté de rester à la pointe des performances, opère ainsi une migration d’ampleur vers ces systèmes pour l'année 2024 : quatre lignes de lumière attoseconde pilotées par lasers Ytterbium remplaceront les lignes Ti:Saphir existantes, avec des performances améliorées en terme de taux de répétition (40 à 100 kHz)  et fiabilité, associées à un moindre coût de fonctionnement, et une efficacité énergétique de l'ensemble de la chaine laser, 6 fois supérieure à celle des lasers Ti:Saphir.


 

*La CPA consiste à étendre dans le temps une impulsion laser avec des éléments dispersifs, afin de pouvoir l'amplifier sans dommage pour les éléments optiques, puis à la recomprimer temporellement.

21 novembre 2023

La possibilité de produire des flashs de lumière de durée attoseconde offre l'outil nécessaire pour suivre la dynamique des électrons dans les atomes, les molécules ou la matière condensée, ce qui permet de mieux comprendre l'organisation et l'évolution de tout ce qui nous entoure. Ces impulsions laser ultra-courtes peuvent être obtenues par génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE), pierre angulaire de la science attoseconde. Les découvreurs au LIDYL de cette technique ont été récompensés par le Prix Nobel de Physique 2023.

Le processus est principalement compris, sous sa forme classique, comme l'interaction d'un champ laser très intense avec la matière. Une nouvelle expérience menée par l'équipe ATTO du LIDYL montre que le processus peut maintenant être aussi compris comme une superposition de processus photoniques quantifiés et simultanés. Pour ceci, deux faisceaux laser non colinéaires sont focalisés sur le milieu générateur pour produire la GHOE. En jouant sur l'intensité relative et les profils spatiaux des deux faisceaux d'entrée, il est montré que la génération d'une harmonique résulte de l'addition cohérente de plusieurs processus qui interférent : au-delà du nombre minimum de photons requis pour produire une harmonique donnée, chaque canal implique une ou plusieurs paires de photons supplémentaire, associées à la combinaison d'autant d'absorptions et d'émissions stimulées.

Un modèle très simple dénombrant les différentes voies contributives est proposé et permet de rendre compte des résultats expérimentaux. Cette approche est un nouveau pas décisif dans la longue quête d'une "image photonique" de la GHOE, qui offre de nouvelles pistes de réflexions sur les processus quantiques en jeu dans le régime en champ fort.

11 juillet 2023

Depuis les débuts de la science ultrarapide, le Laboratoire Interactions DYnamiques et Lasers (LIDYL) développe des sources lasers pulsées toujours plus performantes, afin d’explorer la matière diluée et condensée à des échelles de temps toujours plus fines, atteignant le domaine attoseconde (1 as=10-18 s).

Au début des années 90, une première révolution technologique a permis l’essor considérable du domaine, avec l’avènement des lasers Titane:Saphir, combinés à la technique d’Amplification à Dérive de Fréquence (CPA)*. Ce type de laser, permettant de générer par conversion de fréquence des impulsions attosecondes, s'est généralisé dans les laboratoires étudiant la dynamique ultrarapide, et la plateforme ATTOLab du LIDYL a été construite autour de ces dispositifs.

Ces dernières années, les performances des lasers basés sur l’ytterbium (milieu amplificateur : cristal de KGd(WO4)2, dopé Yb3+) ont fortement progressé : couplées à des techniques de postcompression temporelle, ces sources laser concurrencent maintenant celles des lasers Ti:Saphir (cristal de saphir Al2O3 dopé Ti3+) et ouvrent une nouvelle ère pour l’attophysique. La plateforme ATTOLab, dans sa volonté de rester à la pointe des performances, opère ainsi une migration d’ampleur vers ces systèmes pour l'année 2024 : quatre lignes de lumière attoseconde pilotées par lasers Ytterbium remplaceront les lignes Ti:Saphir existantes, avec des performances améliorées en terme de taux de répétition (40 à 100 kHz)  et fiabilité, associées à un moindre coût de fonctionnement, et une efficacité énergétique de l'ensemble de la chaine laser, 6 fois supérieure à celle des lasers Ti:Saphir.


 

*La CPA consiste à étendre dans le temps une impulsion laser avec des éléments dispersifs, afin de pouvoir l'amplifier sans dommage pour les éléments optiques, puis à la recomprimer temporellement.


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