Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada
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Anciens lauréats

André Bandrauk
André Bandrauk

Chimie

Université de Sherbrooke
Paul Corkum
Paul Corkum

Physique

Université d'Ottawa et Conseil national de recherches

Prix John-C.-Polanyi du CRSNG de 2007

Deux chercheurs canadiens ont créé une révolution en sciences moléculaires en élaborant la plupart des grands concepts de la nouvelle « science de l'attoseconde », qui fait appel à la chimie et à la physique de façon ingénieuse pour utiliser des impulsions laser ultracourtes intenses et produire ainsi des images des molécules et même les contrôler.

Les réalisations d'André Bandrauk, titulaire de la Chaire de recherche du Canada en chimie computationnelle et photonique à l'Université de Sherbrooke, et de Paul Corkum, scientifique principal à l'Institut Steacie des sciences moléculaires du Conseil national de recherches du Canada et professeur auxiliaire à l'Université d'Ottawa, leur ont valu cette année le Prix John-C.-Polanyi, d'une valeur de 250 000 $, décerné par le Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG).

Les chercheurs ont allié la puissance de la superinformatique et la technologie laser de pointe pour contrôler et manipuler la matière au moyen de lasers au niveau moléculaire, tant sur le plan spatial que temporel. Leurs travaux pourraient se traduire par des percées dans les domaines de la technologie des matériaux, de la biophotonique et des télécommunications sur large bande.

MM. Bandrauk et Corkum se sont fait connaître en mettant au point l'exposition des molécules à une lumière laser intense et en tirant parti de cette science nouvelle pour produire et mesurer des impulsions lumineuses plus courtes et élaborer de nouvelles méthodes d'imagerie et de contrôle des molécules.

« Les travaux pour lesquels John Polanyi a reçu un prix Nobel, qui portaient sur l'émission de lumière au cours des réactions chimiques, ont donné naissance à un nouveau concept – le laser chimique – grâce auquel on peut transformer l'énergie chimique en lumière cohérente, a expliqué M. Bandrauk. Les photochimistes et photophysiciens disposaient ainsi d'un nouvel outil pour mettre en valeur les réactions chimiques revêtant une grande importance pour l'industrie chimique. »

Chimiste théoricien, André Bandrauk a noué au milieu des années 1980 une fructueuse collaboration dans le domaine des lasers avec Paul Corkum, physicien-expérimentateur. Au cours des vingt dernières années, ils se sont appuyés sur les travaux précurseurs de John Polanyi pour en arriver aux expériences d'avant-garde de M. Corkum sur les lasers et aux simulations superinformatiques de pointe de M. Bandrauk.

Dans leurs premiers travaux, ils utilisaient des impulsions picoseconde comprimées – celles dont la fréquence varie avec le temps pour contrôler la dissociation moléculaire. Maintenant, avec un ordre de grandeur six fois plus rapide, les chercheurs ont montré que d'intenses impulsions attoseconde comprimées permettent de surveiller et de contrôler l'électron et son complexe mouvement ondulatoire quantique dans la matière, ce qui représente une percée remarquable en sciences moléculaires. Une attoseconde est un milliardième d'un milliardième de seconde – une durée mille fois plus brève que la femtoseconde utilisée par le passé comme mesure de l'impulsion lumineuse contrôlée la plus courte qui soit. Par exemple, un athlète qui remporterait une course par une attoseconde devancerait le deuxième concurrent par une distance inférieure à la largeur d'un atome.

L'exploration du fonctionnement interne d'une molécule – grâce à la fragmentation et au réassemblage des atomes – a aidé à mieux comprendre la nature quantique des morceaux de matière les plus petits dans l'univers. Un nouveau modèle conceptuel a d'abord été présenté par M. Corkum, puis confirmé par une collaboration théorique et expérimentale. On a ainsi pu faire graviter un électron autour d'un atome ou d'une molécule pour ensuite l'y réintégrer sous l'effet d'une intense impulsion laser, obtenant ainsi une méthode révolutionnaire qui émet une impulsion lumineuse d'une vitesse sans précédent.

« Ces recherches ont grandement aidé à comprendre l'interaction de la matière avec les impulsions laser intenses et à produire ainsi les impulsions laser les plus brèves à ce jour – de l'ordre d'une attoseconde, a expliqué M. Bandrauk. Cet outil essentiel pour contrôler les électrons dans la matière suscitera une révolution dans le milieu scientifique. On prévoit en effet que l'impulsion attoseconde deviendra l'outil de prédilection pour contrôler la matière, et des retombées importantes sont prévues pour l'industrie de la photonique. »

Les impulsions attoseconde ont ouvert des avenues nouvelles pour les études en fonction du temps et le contrôle de la dynamique multi-électrons dans les atomes, les molécules, les plasmas et les solides à leur échelle de temps naturelle, de mécanique quantique, et à des dimensions inférieures aux échelles moléculaires, voire atomiques. Il y a tout lieu de croire que ces capacités nous aideront à mieux comprendre la matière dans sa nature ondulatoire quantique.

Les chimistes pensaient auparavant que les impulsions lumineuses intenses, loin de permettre des activités scientifiques intéressantes, détruiraient les molécules. Grâce à la théorie et à la modélisation superinformatique, André Bandrauk a montré que l'on pouvait créer de nouvelles molécules au moyen d'impulsions laser intenses. Les premiers travaux des deux chercheurs sur la réaction non linéaire et non perturbatrice des atomes et des molécules aux émissions laser intenses ont permis de produire les impulsions attoseconde. Il s'agit d'une découverte majeure.

« Nous avons montré qu'il est possible d'utiliser cette technologie pour produire des images de la structure moléculaire et de son évolution dans le temps, a déclaré M. Corkum. Deux des revues scientifiques les plus importantes du monde, Science et Nature, ont classé le développement des impulsions attoseconde parmi les dix percées les plus importantes de 2002, toutes disciplines scientifiques confondues. »

En outre, The Economist a signalé l'année dernière que la science de l'attoseconde avait fait entrer le milieu scientifique mondial dans une « ère de contrôle du monde quantique », ajoutant que ce processus électronique aurait des applications dans des domaines aussi éloignés que l'informatique et la médecine si on parvenait à le manipuler.

Le prochain défi pour les chercheurs consiste justement à utiliser les impulsions attoseconde pour contrôler les électrons à l'intérieur des molécules.

Ces progrès au chapitre de la visualisation, de la compréhension et, en fin de compte, du contrôle de la nature ondulatoire de l'un des objets les plus mystérieux en sciences – l'électron lui-même – ont hissé l'équipe de chercheurs Bandrauk-Corkum à l'avant-scène de ce nouveau domaine scientifique. Ils font par ailleurs ressortir la prédominance du Canada dans un nouveau domaine de recherche parfois appelé « imagerie dynamique ».

Le Prix John-C.-Polanyi du CRSNG permettra à MM. Bandrauk et Corkum de poursuivre leurs travaux dans une sphère où le Canada est un chef de file reconnu.