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Les lasers ultra-brefs éclairent les sciences

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Avec Attolab, la communauté scientifique de Paris-Saclay dispose d’un outil de pointe pour l’étude de la dynamique ultra-rapide de la matière.

Les lasers ultra-brefs éclairent les sciences
L’école Polytechnique, avec son laboratoire d’optique appliquée, est l’un des partenaires d’Attolab, dans lequel ont été investis 27 millions d’euros.

A Saint-Aubin (Essonne), au cœur du cluster scientifique du plateau de Saclay, le site du CEA de l’Orme des Merisiers regroupe une poignée de bâtiments défraîchis et sans âme. C’est pourtant là que se niche Attolab, un joyau de la recherche inauguré fin février. Équipement d’excellence (Equipex) financé en partie par le programme des investissements d’avenir, la plate-forme Attolab comprend deux sources lasers uniques au monde, dédiées à l’étude de la dynamique ultra-rapide de la matière sous toutes ses formes : gazeuse, condensée (liquide ou solide) et plasma. Deux autres installations, toutes proches, complètent cet Equipex : la « salle noire », implantée sur le campus de l’école Polytechnique et gérée par le laboratoire d’optique appliquée (LOA), qui se concentrera sur la dynamique des plasmas, et la plate-forme Cemox (couches minces pour l’optique UVX), rattachée à l’Institut d’optique graduate school (IOGS), qui a conçu et réalisé les optiques nécessaires au projet.

Les impulsions lasers ultra-brèves permettent d’observer avec précision les mouvements des électrons et des noyaux des atomes de la matière, et de suivre ainsi des processus dynamiques tels que ceux intervenant lors d’une réaction chimique. Équipé des lasers de Thales et d’Amplitude Technologies, une PME de l’Essonne, Attolab fournit des sources lumineuses de l’infrarouge aux rayons X, à l’échelle de la femtoseconde (millionième de milliardième de seconde), voire de l’attoseconde (milliardième de milliardième de seconde), qui est « l’échelle pertinente pour comprendre le mouvement des électrons dans la matière », selon Patrick Leboeuf, le directeur de la recherche à l’université Paris-Saclay, un des partenaires financiers et scientifiques du projet.

Le fonctionnement d’Attolab s’appuie sur un dispositif expérimental baptisé « pompe-sonde » ou « excitation-observation ». « La lumière a la propriété d’exciter les électrons dans la matière. Le laser infrarouge, lui, excite les électrons dans les atomes ou les molécules et les force à émettre un rayonnement ultraviolet ou X, explique Pascal Monot, chercheur expert senior au laboratoire interactions, dynamiques et lasers (Lidyl) du CEA. L’analyse détaillée des propriétés de ce rayonnement permet de résoudre le mouvement des électrons. »

Des composants optiques pour rayons X

Pour obtenir les composants optiques spécifiques à leur projet, les concepteurs d’Attolab se sont adressés à leurs collègues et voisins de Cemox. Cette plate-forme « réalise des composants optiques pour la gamme des rayons X et ultraviolets extrêmes, détaille Franck Delmotte, le responsable de Cemox. Il s’agit d’un miroir en verre sur lequel on vient déposer un revêtement multicouches complexe qui va permettre de réfléchir les rayons X. Ils ne sont pas réfléchis par un simple miroir. » La qualité des expériences menées avec Attolab est en jeu. Certains défauts pourraient empêcher d’obtenir un spot lumineux à la taille de l’échantillon étudié. « Quand on travaille avec des impulsions très brèves, si certaines spécifications du revêtement ne sont pas respectées, vous risquez d’allonger l’impulsion », précise Franck Delmotte.

Attolab sera mis au service d’une recherche interdisciplinaire à caractère fondamental et applicatif, concernant la physique, la chimie, la physico-chimie, la biologie… Grâce à l’existence du Synchrotron Soleil dont les installations sont situées à proximité de celles de l’Orme des Merisiers, il existe déjà une grande communauté utilisatrice du rayonnement synchrotron. « Soleil et Attolab sont complémentaires, explique Pascal Monot (Lidyl). Beaucoup de chercheurs utilisent le rayonnement synchrotron afin de caractériser la matière de manière statique ou pour étudier des phénomènes dynamiques à des vitesses plus faibles que celles accessibles sur Attolab. Son ouverture offrira des moyens supplémentaires à la communauté scientifique pour aller scruter les comportements les plus rapides. »

Les entreprises du secteur de l’optique et des lasers voisines du nouvel Equipex se félicitent de sa création. Parmi elles, Iteox, une société orcéenne d’instrumentation pour le contrôle des lasers, qui conçoit ses produits en co-développement avec des laboratoires comme le LOA. « La difficulté, dans notre activité, c’est de demeurer à la pointe de la recherche, avance Thomas Oksenhendler, le patron d’Iteox. D’où l’importance d’avoir des échanges permanents avec des utilisateurs-expérimentateurs travaillant sur des équipements eux-mêmes à la pointe de la science et de la technique. » Imagine Optic, autre PME d’Orsay, pionnière dans le domaine de l’analyse du front d’onde et de l’optique adaptative, partage cet enthousiasme. « Toute structure nouvelle booste la filière photonique directement ou indirectement, assure Samuel Bucourt, son président. On peut aussi l’utiliser pour nos propres besoins. Ainsi, pour concevoir un capteur ultraviolet extrême, il faut une source, donc trouver un laboratoire accordant du temps de faisceau. Attolab est prêt à nous accorder ce genre d’accès dans le cadre d’un accord collaboratif global. »

La communauté scientifique de Saclay braque à présent ses phares sur le projet Cilex (Centre interdisciplinaire lumière extrême). Un autre Equipex, dont la livraison est prévue pour 2018. Ce centre sera dédié à l’étude de l’interaction de la lumière laser avec la matière, dans des conditions d’éclairement extrêmes. 

« Un savoir-faire reconnu sur la lumière en conditions extrêmes »

Patrick Leboeuf, directeur de la recherche à l’université Paris-Saclay

  • Pourquoi l’université Paris-Saclay a-t-elle soutenu le projet Attolab ?

Les lasers font partie du nombre resserré de domaines jugés très importants d’un point de vue scientifique, auxquels l’université souhaite consacrer des budgets conséquents. Nous avons apporté 1,5 million d’euros à Attolab, via le projet OPT2X, afin de développer certains outils pour optimiser l’efficacité de la plate-forme.

  • Que représente la communauté du laser au sein de l’université ?

Elle est très performante et possède un savoir-faire reconnu pour tout ce qui touche à la production et à l’utilisation de la lumière dans des conditions extrêmes. Cet axe est bien identifié, organisé et financé à travers différents canaux au sein de l’université, comme le département Physique des ondes et de la matière et le Labex Palm (physique : atomes lumière matière). Cela représente une centaine de permanents répartis dans neuf labos.

  • Quels sont les projets prioritaires à conduire avec Attolab ?

La communauté d’utilisateurs est beaucoup plus large que celle des lasers elle-même. Les projets de recherche concernent plusieurs laboratoires ou établissements. La plate-forme peut accueillir des travaux en chimie, en physique, en physico-chimie. Elle présente également un intérêt pour l’étude des systèmes biologiques et les applications en médecine. 

Amplitude Technologies, partenaire privilégié d’Attolab

Spécialiste des lasers à très hautes performances, notamment dédiés à l’imagerie, Amplitude Technologies entretient de longue date des rapports avec le CEA, qui se perpétuent aujourd’hui au travers d’un laboratoire commun avec la plate-forme Attolab. La société essonnienne, qui réalise 92 % de ses ventes à l’export, « est réputée mondialement pour vendre des performances très très élevées, explique Gilles Riboulet, son président. Or les experts du nucléaire ont la culture de la mesure et de la qualification des travaux. Dans le cadre de notre collaboration, le CEA se comporte à la fois en développeur et en utilisateur. Le fait de travailler avec lui nous apporte des compétences et une caution. » Amplitude Technologies codéveloppe avec le CEA de nouvelles sources lasers et les instruments de diagnostics associés. « C’est un tremplin pour tester la pertinence d’une technologie dont on perçoit qu’elle aura un marché dans l’industrie dans les dix ans à venir », assure Gilles Riboulet. 

 

Paris-Saclay « en suspens »

Le dernier rapport de la Cour des comptes a épinglé l’évolution du cluster de Paris-Saclay, qui bénéficie pourtant de financements publics massifs. « Le projet Paris-Saclay est aujourd’hui en suspens : la création d’une grande université de recherche intégrant universités et grandes écoles est au point mort et la stratégie de développement économique reste à mettre en œuvre », souligne-t-il. Alors que le projet est entré dans une phase opérationnelle interdisant tout retour en arrière, les sages de la rue Cambon craignent qu’il « se résume à un rapprochement géographique d’établissements d’enseignement supérieur et de recherche, sans cohérence réelle ni visibilité internationale ». Ils recommandent à l’État de « désigner un responsable interministériel du projet de Paris-Saclay » et d’« établir une programmation prévisionnelle des financements correspondant aux besoins identifiés, afin d’en vérifier régulièrement la soutenabilité ».

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