Ce sont des lasers d'une puissance inégalée, capables d'ioniser instantanément la matière. Des outils pour observer les processus énergétiques uniques à l'échelle de l'atome. «Nous avons dans les mains l'appareil photo du futur», s'enthousiasme Olivier Utéza, le directeur du laboratoire Lasers, plasmas et procédés photoniques (LP3) implanté sur le campus de l'université d'Aix-Marseille (Bouches-du-Rhône).
Développés à partir des années 1970, les lasers femtosecondes sont l'un des joujoux préférés des physiciens de la matière. « De la même manière que la photo a permis de saisir, via des analyses stroboscopiques, le mécanisme du galop d'un cheval, les lasers femtosecondes ont des durées d'impulsion tellement courtes qu'ils rendent possible l'observation des échanges d'énergie à l'échelle atomique », explique le chercheur. Dans les locaux du LP3, près d'une trentaine de ces bijoux de technologie sont à la disposition des physiciens.
Lire la dynamique des atomes
« Comprendre et sculpter la matière, c'est étudier le mouvement des atomes dans un matériau qui reçoit une source d'énergie externe », indique Olivier Utéza. Pour visualiser ces phénomènes, les lasers « femto » servent à la fois de sources d'énergie externes et d'appareils de mesure. Lorsqu'une impulsion femtoseconde (dont la puissance peut atteindre 1023 W/cm²) est envoyée sur un matériau, des électrons sont arrachés à la périphérie des atomes et reçoivent une énergie cinétique proche de celle de la vitesse de la lumière. « Pour des raisons de conservation de l'énergie et du moment, l'impulsion laser seule ne peut se coupler qu'avec des électrons des couches externes, les plus faibles en énergie », précise le chercheur.
Ces électrons accélérés peuvent pénétrer en profondeur dans les atomes, où ils vont à leur tour exciter les électrons de cœur. Au bout d'un certain temps, ces derniers retrouvent leur état initial. Ce processus de désexcitation s'accompagne d'une émission de rayons X. Grâce au diagramme de diffraction produit par cette impulsion de rayons X, il devient possible de caractériser en détail la réaction du matériau qui reçoit la source d'énergie externe. « Comme les molécules sont figées à l'échelle femtoseconde, les lasers permettent de lire avec une très grande résolution temporelle la dynamique des atomes », résume le physicien.
Repousser les limites des performances
Les chercheurs du LP3 utilisent les lasers femto pour développer de nouveaux procédés mammographiques. « Si nous parvenons à améliorer la résolution, les clichés de mammographie seront plus faciles à interpréter », anticipe Olivier Utéza. Le laboratoire s'intéresse aussi à la caractérisation des transitions de phase amorphe et cristalline dans les matériaux à mémoire de phase utilisés, par exemple, dans les mémoires flash. Pour repousser les limites de la performance des lasers femto, les physiciens s'évertuent à découvrir comment est générée la source secondaire de rayons X. Car pour extraire efficacement des informations d'une imagerie, il faut que cette source soit ponctuelle dans le temps, mais aussi dans l'espace.
Comme le rayonnement X est provoqué par un laser femto, il possède lui aussi une durée d'impulsion très courte, de l'ordre de la sub-picoseconde. La source des rayons, quant à elle, « peut descendre jusqu'à une dizaine de micromètres, chiffre Olivier Utéza. Mais je pense que nous pouvons faire mieux en étudiant sa génération et sa mise en forme ». Sachant que pour rendre ces applications industrialisables, il faut aussi que la source fonctionne en cadence. « Le procédé de génération de rayons X que nous utilisons peut atteindre une cadence de 100 hertz. Ce sera bien au-delà à l'avenir », affirme le chercheur.
Imprimante du futur dans la micronique et la submicronique
Grâce à ce pan de recherche, le LP3 accumule des connaissances extrêmement précises sur l'interaction laser-matière, qu'il met à profit dans des domaines d'application plus en aval. À commencer par le développement d'outils d'écriture laser qui permettent de façonner différemment la matière. « Plutôt que d'imprimer des transistors sur la surface du silicium, nous concevons un procédé d'inscription en volume en nous servant de techniques de microscopie pour focaliser le rayonnement laser femtoseconde dans le matériau, confie Olivier Utéza. Une première mondiale ! »
Ses équipes et lui ont aussi commencé à imaginer l'imprimante du futur, un outil de fabrication digitale dans les domaines de la micronique et de la submicronique. « L'idée est de transférer un pixel de matière d'un substrat donneur vers un substrat receveur en créant un choc laser à l'interface entre les deux matériaux et un effet de piston mécanique », avance le physicien. Ainsi, le LP3 a réussi à imprimer des circuits électroniques sur un support souple ainsi que des architectures biologiques, puis à prouver leur viabilité.
Grâce à sa fine connaissance des interactions laser-matière, il a aussi façonné des cristaux photoniques aux réponses optiques très exotiques. « En structurant leur permittivité, nous pourrons obtenir des cristaux avec des réfractions négatives », affirme Olivier Utéza. Les lasers femto trouvent également des applications en biomédecine, où ils sont utilisés pour générer des nanoparticules thérapeutiques. Longtemps rêvés, ces « appareils couteaux suisses du futur du chercheur et de l'ingénieur » tiennent aujourd'hui toutes leurs promesses.
