La Franco-Suédoise Anne L'Huillier, professeure de physique atomique à l'université de Lund en Suède, a reçu le prix Nobel en 2023, aux côtés du Français Pierre Agostini et du Hongrois Ferenc Krausz. Tous trois sont des pionniers d'une nouvelle discipline scientifique apparue à la fin des années 1980, la « physique de l'attoseconde ». Elle nous explique de quoi il s'agit.
Cet automne, la physicienne franco-suédoise Anne L'Huillier, professeure de physique atomique à l'université de Lund en Suède, a reçu le prix Nobel de physique, aux côtés du Français Pierre Agostini, professeur à l'Ohio State University aux États-Unis, et du Hongrois Ferenc Krausz, directeur de l'Institut Max-Planck en Allemagne. Tous trois sont des pionniers d'une nouvelle discipline scientifique apparue à la fin des années 1980, appelée la « physique attoseconde ».
Leurs recherches sur les flashs lasers ont révolutionné l'étude de la matière en permettant d'observer les mouvements ultrarapides des électrons dans les atomes et molécules, durant des intervalles de temps de l'ordre du milliardième de milliardième de seconde, ce que désigne le terme « attoseconde ».
Ces recherches, à la fois expérimentales et théoriques, sont centrées sur la génération d'harmoniques d'ordre élevé dans les gaz et leurs applications. Dans le domaine temporel, ces harmoniques correspondent à une série d'impulsions lumineuses extrêmement courtes, dans le domaine spectral de l'ultraviolet extrême et d'une durée de quelques dizaines ou centaines d'attosecondes.
Anne L'Huillier est la deuxième femme française à recevoir le prestigieux prix Nobel de physique, cent vingt ans après Marie Curie. Elle est la cinquième à recevoir le prix Nobel de physique depuis 1901, qui, dans l'ordre chronologique, a été décerné à Marie Curie (1903), Maria Goeppert-Mayer (1963), Donna Strickland (2018) et Andrea Ghez (2020).
Née à Paris en 1958, Anne L'Huillier est entrée à l'École normale supérieure de Fontenay-aux-Roses en 1977. Elle est reçue à l'agrégation de mathématiques en 1980. En 1986, elle soutient sa thèse d'État à l'université Pierre-et-Marie-Curie et obtient aussitôt un poste de chercheur permanent au Commissariat à l'énergie atomique (CEA) de Saclay.
Pour ses travaux de recherche, elle a reçu, en 2011, le prix L'Oréal-Unesco pour les femmes et la science qui récompensa le développement d'un appareil photo pouvant enregistrer les mouvements des électrons en une attoseconde.
Puis, en 2022, elle remporte le prestigieux prix Wolf, avec Ferenc Krausz et le Canadien Paul Corkum, pour son apport à la science des lasers ultrarapides. Anne L'Huillier est aussi membre de l'Académie royale des sciences de Suède, de l'Académie royale des sciences de l'ingénieur de Suède, membre « associé étranger » à l'Académie nationale des sciences en France et de la National Academy of Science à Washington.
Vous avez contribué à fonder une nouvelle discipline scientifique, la physique de l'attoseconde. Pouvez-vous nous expliquer quel est son objet ?
Il s'agit de produire ou de générer des impulsions de lumière de durée extrêmement courte dans le domaine de l'attoseconde. On est au niveau de 0,17 zéro et 1 (0,000 000 000 000 000 001). C'est 10-18 seconde, ou encore un milliardième de milliardième de seconde.
On peut faire un parallèle avec la photographie des films de mouvements rapides, avec des temps d'exposition très courts. C'est comme des flashs de lumière très courts mais le flash photo est bien plus lent, il est de l'ordre de la milliseconde. L'objet des impulsions attosecondes est de regarder la dynamique des électrons dans la matière.
Comment avez-vous réussi à cofonder cette discipline ?
C'est un peu un coup de chance, comme souvent dans les découvertes scientifiques. À Saclay, au CEA à la fin des années 1980, on a découvert la génération d'harmoniques d'ordre élevé. On envoie un laser intense dans un gaz d'atomes et on observe le rayonnement émis. Ce rayonnement est constitué d'harmoniques, d'une fréquence égale à un multiple (l'ordre) de la fréquence du laser, jusqu'à des ordres très élevés.
C'est comme en musique où les harmoniques sont des multiples de fréquences acoustiques (notes de musique). Ici, ce sont des ondes de lumière et non des ondes de son. C'était une vraie surprise. Et le lien avec les impulsions attosecondes, c'est que ces harmoniques interfèrent entre elles, de sorte que, dans le domaine temporel, on obtient une séquence d'impulsions très courtes, dans le domaine attoseconde…
En fait, lors de la première expérience, il y a trente-sept ans, on cherchait autre chose. On cherchait à voir une lumière émise par des atomes excités. On n'a pas vu cela. À la place, on a vu ces harmoniques d'ordre très élevé, formant « un plateau », c'est-à-dire toutes les harmoniques avec la même intensité.
C'était étonnant, car avec les connaissances de l'époque, on ne s'y attendait pas. Et il a fallu quatorze ans pour montrer que, avec ces harmoniques, on avait des impulsions attosecondes. En fait, ce sont mes deux collègues, Pierre Agostini et Ferenc Krausz, qui ont réussi à caractériser des impulsions attosecondes. C'est une recherche très fondamentale. Et cela prend beaucoup de temps pour comprendre, développer et démontrer.
Cette unité de temps de l'attoseconde est-elle associée à l'infiniment petit ?
En général, on peut dire que plus les particules sont petites, plus elles vont vite. Quand on parle du mouvement des atomes dans les molécules, on est au niveau de la « femtoseconde », c'est-à-dire 10-15 secondes. Mais quand on parle du mouvement des électrons dans les atomes, on est au niveau de l'attoseconde. Cela nous permet de mesurer ces petits « instants » qui correspondent à des mouvements des électrons.
Pouvez-vous nous donner un exemple ?
La « photo-ionisation », c'est-à-dire l'ionisation par absorption de lumière. L'ionisation signifie qu'on enlève un électron d'un atome ou d'une molécule. Ce phénomène a toujours été compris comme instantané, or maintenant on arrive à mesurer le temps de propagation de l'électron dans l'atome pour être ionisé.
L'enjeu est d'étendre ces techniques à des systèmes plus complexes, comme des molécules ou des matières condensées. Peut-être pourrait-on voir les mouvements électroniques qui se produisent souvent au début d'une réaction chimique et comprendre ce début de cette réaction ? Et si on peut mesurer, peut-être pourrait-on contrôler ce mouvement ? C'est la recherche fondamentale en cours.
Il y a une autre application qui se développe dans l'industrie des semi-conducteurs, pour fabriquer la prochaine génération d'ordinateurs ou de téléphones. Conformément à la loi de Moore, soit le doublement d'une capacité informatique en un temps donné, on cherche à faire des composants électroniques de plus en plus petits, et pour la prochaine génération avec des dimensions de l'ordre de 10 nanomètres, il faut un rayonnement dans le domaine ultraviolet extrême, à la fois pour l'impression et le contrôle. Les harmoniques constituent un rayonnement très intéressant pour l'imagerie de circuits de très petite dimension.
Il y a aussi des applications possibles en physique moléculaire, pour mieux comprendre les réactions chimiques, spécialement celles qui sont induites par absorption de lumière, comme la photosynthèse. Et si on peut mieux comprendre, éventuellement on pourra mieux les contrôler. Mais on n'y est pas encore.
Comment avez-vous orienté vos recherches vers la physique de l'attoseconde ?
Je me suis comme « jetée » sur ce domaine sans en avoir une vision très claire au départ. Je trouvais que c'était innovant, il y avait tant de choses à comprendre. Car ce domaine se situe entre deux domaines de la physique : entre la physique des atomes, décrite par la mécanique quantique, et l'optique non linéaire, qui décrit la génération de la lumière dans un milieu macroscopique. Je n'avais pas cette vision au départ. Tout cela a pris du temps à se construire.
La recherche, c'est assez excitant : on va faire de la théorie, des nouvelles expériences, et cela prend du temps, or ce temps est nécessaire. Et on poursuit pour améliorer ces recherches et développer des applications à la fois en physique fondamentale et en physique appliquée.
« Grâce à nos techniques, on peut maintenant "voir" le mouvement ultrarapide des électrons. »
Quelles sont vos recherches actuelles ?
Dans mon groupe de recherche, on continue dans plusieurs directions. On collabore avec un partenaire industriel dans les semi-conducteurs. On travaille aussi en recherche fondamentale : par exemple, on s'efforce de mesurer des phénomènes quantiques avec notre technique. On veut faire des mesures en utilisant nos impulsions attosecondes, peut-être pour comprendre d'une autre façon des phénomènes comme la « décohérence » ou « l'intrication » quantiques.
Dans ce domaine, on démarre et il y a beaucoup de choses à faire. Mais on ne peut tout faire, on choisit deux ou trois idées. Ce domaine est très ouvert en ce moment. Et ce n'est pas dû au prix Nobel. C'est plutôt l'inverse, le prix Nobel arrive maintenant pour reconnaître un domaine de la physique où il y a eu des découvertes et où il se passe des choses.
Étudier les mouvements de l'électron dans la matière, à quoi cela sert-il ?
Cela sert à comprendre la nature. On est tous faits de tas d'atomes et d'électrons. Les électrons sont des particules très importantes qui interagissent avec le monde extérieur, qui permettent les liaisons chimiques, l'absorption ou l'émission de lumière, etc. Grâce à nos techniques, on peut maintenant « voir » le mouvement ultrarapide des électrons. Dans notre domaine, les électrons se comportent plus comme des ondes que comme des particules et on mesure un mouvement d'onde.
Nos expériences demandent des dispositifs assez compliqués mais ce ne sont pas d'énormes instruments. C'est de la « petite physique ». Tout tient dans une pièce de 50 m2 : grosso modo, on utilise des techniques laser assez avancées et des « chambres à vide », des sortes de marmites en métal avec des pompes. À l'intérieur de ces marmites, on met un peu de gaz. On analyse ce qu'il se passe à l'aide de composants optiques et de détecteurs de photons ou d'électrons. Le laser produit des harmoniques, c'est-à-dire les impulsions attosecondes, qui, elles-mêmes, vont ioniser des atomes : il y a ainsi deux étapes.
Quels sont vos espoirs et vos pistes de recherche ?
Je suis assez confiante. On va aboutir dans certaines applications, comme pour les semi-conducteurs, et si cela marche, cela aura des conséquences sur la vie de tous les jours. Mais cela prendra du temps : dans les voies explorées, certaines ne vont pas marcher et d'autres vont probablement aboutir.
Vous enseignez toujours. La transmission du savoir est-elle pour vous une passion ?
C'est le métier d'enseignant-chercheur. Justement, comme on ne sait pas où on va dans la recherche fondamentale, l'enseignement apporte un équilibre car son utilité est immédiate. Je pense que la communication de la science, c'est très important.
Quelle est l'influence de la théorie sur vos expériences ?
Les théoriciens ont eu un rôle important dans l'établissement et la compréhension de la physique attoseconde. En ce qui concerne l'étude du mouvement des électrons, on a commencé par des systèmes simples, les atomes. Cela a été essentiel de pouvoir confirmer nos mesures expérimentales à l'aide de calculs théoriques. Cela sera plus difficile pour les systèmes plus complexes, les molécules par exemple. C'est pour cela que l'expérience est importante.
« J'ai eu la chance d'être élevée dans une famille où il n'y avait aucune différence entre filles et garçons. »
Quels conseils donneriez-vous aux jeunes femmes et jeunes filles qui veulent se lancer dans la recherche scientifique ?
Je suis très sollicitée sur cette question et comme j'appartiens à deux pays, cela double les questionnements. La situation des femmes dans les sciences dures, comme les mathématiques, la physique et les sciences de l'ingénieur, est en train de changer un peu : il y a, à mon avis, une augmentation du nombre des femmes. C'est important de pousser les jeunes femmes et les jeunes filles à aller dans ces disciplines si elles le souhaitent.
Qu'elles ne soient pas arrêtées tout de suite par manque de modèles ou d'encouragements de la part des professeurs ou des parents. J'ai eu la chance d'être élevée dans une famille où il n'y avait aucune différence entre filles et garçons. J'aimais beaucoup la physique et les mathématiques depuis très longtemps. J'avais un grand-père dans la radioélectricité, mon père dans l'informatique, une partie de la famille était scientifique, et cela m'a encouragée.
Quelles différences constatez-vous entre la France et la Suède ?
Il y a des aspects positifs et négatifs différents des deux côtés. Côté positif, il y a une acceptation de la parité, dans la société suédoise, plus grande qu'en France. Il y a aussi, en Suède, des structures de crèches, d'écoles maternelles et d'activités après l'école primaire de grande qualité.
Les parents, et pas seulement la mère, s'occupent des enfants. Il est accepté de quitter son travail à 16 heures pour chercher les enfants. Cela est bien. Ce qui l'est moins, c'est que les Suédois sont très disciplinés, et se dirigent facilement vers ce qui est stéréotypé. En France, la culture fait qu'il est plus facile de suivre un parcours différent des autres. Il est peut-être plus accepté de ne pas être « comme tout le monde ».
Vous êtes l'une des rares femmes à obtenir le prix Nobel, la 5e en physique, depuis la création du prix ? Quelle réflexion cela vous inspire-t-il ?
Je suis très fière et très heureuse d'être la deuxième Française après Marie Curie. Je suis en fait la 5e femme en physique. Je suis consciente qu'étant femme en physique, cela me donne un rôle de modèle. Il y a eu deux femmes prix Nobel en soixante ans, Marie Curie, puis Maria Göeppert-Mayer en 1963. Plus près de nous, il y en a eu trois en cinq ans, donc la tendance change. C'est un changement du statut et du nombre des femmes en sciences. Leur nombre est sans doute trop faible, mais c'est en train d'évoluer.