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Ancien lauréat
Bourse commémorative E.W.R. Steacie de 2004

Thomas Brabec

Physique théorique

Université d'Ottawa


Thomas Brabec
Thomas Brabec

Plus rapide qu'une balle d'arme à feu? Pas de quoi s'énerver, de dire le physicien théoricien Thomas Brabec, car ce genre de vitesse n'a rien à voir avec sa propre notion de rapidité. Le professeur Brabec se trouve à l'avant-garde d'une branche de la physique qui promet ce qu'on a de la difficulté à imaginer : une caméra à l'échelle atomique qui utilise les impulsions ultrarapides de la lumière pour produire des images figées des processus nucléaires et électroniques.

« Pour l'instant, ce n'est qu'une idée ou un concept, mais si elle se concrétise, cette invention sera révolutionnaire. Il y a toutefois de nombreux obstacles à surmonter », explique le professeur Brabec, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en photonique ultrarapide, à l'Université d'Ottawa, et l'un des six lauréats d'une Bourse commémorative E.W.R. Steacie du CRSNG de 2004.

S'il y a quelqu'un qui peut faire de cette idée une réalité, c'est bien le professeur Brabec. Au milieu des années 1990, durant et peu après ses travaux de doctorat à la Vienna University of Technology, en Autriche, le professeur a élaboré les fondements théoriques qui sous-tendent la création d'impulsions de laser solide de l'ordre de la femtoseconde (10-15 seconde). Ces travaux ont mené à la génération d'impulsions laser de cinq femtosecondes (cinq millionièmes de milliardième de seconde), soit les impulsions les plus brèves jusqu'à ce jour.

Tels les éclairs d'un appareil-photo ultrarapide, ces impulsions femtosecondes sont devenues la nouvelle norme pour mieux observer et comprendre les réactions chimiques.

Cependant, lorsqu'il décrit ses derniers travaux, le professeur Brabec laisse entendre que ces éclairs de laser femtoseconde ne sont que de lentes poussées électromagnétiques. Ses objectifs théoriques sont maintenant fixés sur une vitesse mille fois plus élevée : les impulsions attosecondes (10-18 seconde). La distance qui sépare de ses concurrents l'athlète qui gagne une course par une attoseconde est inférieure à la largeur d'un atome.

« La première idée sur la façon de mesurer des impulsions attosecondes est venue de Paul Corkum, du Centre national de recherches du Canada, à Ottawa, avec qui j'ai fait mes recherches postdoctorales en 1995. La seconde idée est venue de mon groupe de recherche de Vienne. J'ai participé à la première mesure d'une impulsion attoseconde faite par mon collègue d'alors, Ferenc Krausz, de la Vienna University of Technology, et j'ai conçu la théorie de cette méthode de mesure », poursuit le professeur Brabec, qui a été recruté par le Centre de recherche en photonique de l'Université d'Ottawa en juin 2002. L'événement est un coup de maître pour les ambitions du Canada en matière de science des vitesses ultrarapides.

La science des attosecondes, qui en est encore au stade embryonnaire, offre la promesse d'atteindre un nouvel horizon atomique et moléculaire grâce à des vitesses et à des longueurs d'ondes qui permettront de voir des détails au niveau du noyau et de l'électron.

Cette technique fait appel à un laser haute énergie ultrarapide pour arracher les électrons de leur noyau et créer des particules ionisées (c.-à-d., à charge positive ou négative). Le champ du laser a des cycles positifs et négatifs et, lorsque les cycles s'inversent, les particules chargées alors accélérées entrent en collision pour libérer un éclair d'intense énergie sous forme de rayons X. C'est cette explosion de rayons X plus rapides et de longueurs d'ondes plus courtes qui peut servir à représenter les mouvements qui se produisent dans les processus électroniques ou nucléaires dont la vitesse se mesure en attosecondes.

« C'est comme dans le cas d'un stroboscope, explique le professeur Brabec. Il y a des impulsions lumineuses, et l'une d'entre elles immobilise l'électron dans une position, puis vient le suivant, qui l'immobilise dans une position légèrement différente. Un peu comme ces images produites au XIXe siècle, qui saisissent en plans figés les mouvements d'un cheval au galop. »

Le laboratoire de M. Paul Corkum, avec lequel le professeur Brabec collabore, a déjà montré qu'il est possible de capter des détails du mouvement du noyau dans des molécules d'hydrogène, la plus simple des molécules. Et une conférence sur l'attophysique – la première du genre – tenue en novembre 2003 à la Harvard Institute for Theoretical and Molecular and Optical Physics, a propulsé cette discipline naissante, et les travaux du professeur Brabec, au premier plan de la scène scientifique.

Selon ce scientifique, le temps de recherche et les fonds destinés aux étudiants diplômés que la Bourse Steacie offre lui permettront d'accélérer ses propres travaux et de faire de la science des attosecondes une réalité appliquée.

Son équipe de recherche, qui comprend deux étudiants au doctorat venus d'Autriche qui l'ont suivi au Canada (le professeur Brabec plaisante en disant qu'il se sent parfois comme un père de famille), étudiera comment appliquer les outils théoriques mis au point en attophysique au défi de la nanophotonique que représente la conception d'un transistor d'une seule molécule.

Pour ce maître de la vitesse, toutefois, le but le plus stimulant est la visualisation du comportement de l'électron à l'aide d'impulsions attosecondes. Pour atteindre ce but, son équipe est en train de mettre au point un code informatique unique qui pourrait ouvrir la voie à l'analyse attoseconde du comportement de l'électron dans des atomes ou des molécules complexes. Cet objectif est considéré comme le Saint-Graal de la chimie.

« Jusqu'à présent, lorsque les chimistes se penchent sur des réactions moléculaires telles que la création ou la rupture de liens nucléaires, ils n'examinent que le mouvement des noyaux, qui est d'ordinaire relativement lent, de l'ordre de la femtoseconde, explique le professeur. Mais avant que les noyaux n'interviennent dans ces liaisons, les électrons doivent entrer en action, ce qui constitue un processus beaucoup plus rapide. Et, du point de vue expérimental, on ne sait pas grand-chose à ce sujet. Si l'on peut observer les électrons, on espère en apprendre davantage sur ce qui déclenche la création ou la rupture des liens moléculaires. »