Sciences

La contribution du Français Gérard Mourou, prix Nobel de physique 2018, à la mise au point du laser

Temps de lecture : 4 min

Un outil d'une précision incroyable pour soigner la myopie, couper des tissus organiques, découper du métal et, pourquoi pas, ouvrir des boîtes crâniennes.

Des moniteurs retransmettent une chirurgie oculaire au laser, au Visual Freedom Center de Fair Oaks Mall à Fairfax (Virginie), le 21 août 1999. | Stephen Jaffe / AFP
Des moniteurs retransmettent une chirurgie oculaire au laser, au Visual Freedom Center de Fair Oaks Mall à Fairfax (Virginie), le 21 août 1999. | Stephen Jaffe / AFP

Après les ondes gravitationnelles en 2017, un autre phénomène découvert par Albert Einstein il y a un peu plus de cent ans (1916) est au cœur du Nobel de physique 2018. Outre les trois lauréate et lauréats, le laser est la grande vedette de ce prix. Son histoire est jalonnée de distinctions: prix Nobel pour le Français Alfred Kastler en 1966, prix Nobel pour l’Américain Charles Townes et les Russes Nicklaï Bassov et Alexandre Prokhorov en 1964.

En 1960, le premier laser à rubis est fabriqué par l’Américain Theodore Maiman. Mais il faut attendre 1974 pour que le laser trouve sa première application de masse: la lecture des codes-barres suivie par celle des disques optiques en 1978, qui deviendront les disques compacts (CD) en 1982.

Gérard Mourou, 74 ans, directeur du Laboratoire d’optique appliquée (LOA) de 2005 à 2008, et Donna Strickland, 59 ans, professeure à l’Université de Rochester aux États-Unis, sont récompensées pour un article publié en 1985, et partagent ainsi la moitié du prix Nobel. La seconde moitié revient à l’Américain Arthur Ashkin, 96 ans, pour son invention de pinces à épiler laser capables de capturer des bactéries ou des virus vivants sans les abîmer en 1987.

«Un tsunami d’émotions»

Il arrive que le gouvernement ait de bonnes idées. En 2004, le ministre délégué à la recherche, François d’Aubert, crée les «chaires d’excellence» dont l’une des vocations est de rapatrier des chercheurs et chercheuses de haut vol parties à l’étranger. C’est ainsi que Gérard Mourou, expatrié depuis 1977 aux États-Unis, revient en France en 2005 pour prendre la direction du LOA. Au passage, il accepte une réduction de salaire de 25%. Le chercheur poursuit alors ses travaux sur ce qu’il nomme la lumière extrême. Avec une obsession: augmenter la puissance des lasers. En 1985, la publication qui lui vaut le prix Nobel aujourd’hui avait déjà cet objectif. Philippe Zeitoun, actuel directeur adjoint du LOA, confirme que «ce sont trente années de travail dans la montée en puissance des lasers qui sont récompensées». Avant 1985, les chercheurs et chercheuses étaient bloquées par un problème majeur: au-delà d'une certaine intensité (1014 W/cm2), les ondes laser se détérioraient et, surtout, les matériaux d’où les lasers étaient issus explosaient…

Depuis vingt ans, les scientifiques cherchaient comment franchir cette limite. «En 1985, Gérard Mourou a une idée venue d’un autre domaine, celui des radars», explique Philippe Zeitoun. Les lasers fonctionnent avec des impulsions très brèves, de l’ordre de la femtoseconde (10-15 seconde). Gérard Mourou a l’idée d’augmenter la durée de cette impulsion et d’ordonner les photons. Cela revient à ralentir un flot de voitures avant une réduction du nombre de voies sur une autoroute afin d’éviter un embouteillage. Les voitures ralentissent, se rabattent et franchissent mieux l’étranglement. À la place des voitures, Gérard Mourou joue sur les fréquences lumineuses qu’il sépare et qu’il amplifie individuellement. Ensuite, il reconstitue l’onde initiale et obtient une intensité très augmentée. Le résultat est spectaculaire: la barrière passe de 1014 W/cm2 à 1022 W/cm2. Un bond de huit ordres de grandeur! Dans la foulée, on atteint même 1024 W/cm2 aujourd’hui.

Cet exploi vaut aujourd’hui le Nobel à Gérard Mourou et Donna Strickland, qui travaillait avec lui en 1985 dans le cadre de son doctorat, et devient la troisième femme à obtenir le prix Nobel de physique. S’il a quitté le LOA en 2009, Gérard Mourou n’en est pas moins resté très proche des équipes qui y travaillent. Aujourd’hui, il est professeur émérite et membre du Haut-collège de l’école Polytechnique où il dirige l’IZEST (International Center for Zeptosecond-Exawatt Science and Technology). En ce 2 octobre, entre deux rendez-vous, Gérard Mourou se dit très touché par son prix: «C’est absolument un tsunami d’émotions».

«Convertir le rayon laser en rayon X»

Le prix Nobel ne récompense pas uniquement un exploit scientifique. Grâce aux progrès réalisés dans les hautes puissances et les impulsions ultra-courtes, le laser est devenu un outil d’une précision incroyable pour soigner la myopie ou couper des tissus organiques en chirurgie, tout comme pour la découpe de divers matériaux dont le métal. Il pourrait même servir à ouvrir les boîtes crâniennes, tant la découpe laser est propre et ne produit pas la moindre bavure.

Au-delà de ces applications, les perspectives ouvertes par les travaux de Gérard Mourou sont loin d’être limitées. Déjà, en 2005, il rêvait de faire «claquer le vide», c’est-à-dire de produire de la matière à partir du vide. Pour obtenir ce résultat qui dérive de l’équation d’Einstein E=MC2 , il ne faut rien de moins qu’une intensité de rayon de 1029 ou 1030 W/cm2 contre 1024 aujourd’hui.

Les scientifiques pourraient parvenir à ce véritable Graal de la physique grâce à une nouvelle idée de Gérard Mourou. «Il s’agit de convertir le rayon laser en rayon X», indique Philippe Zeitoun. Une piste qui permettrait de faire bondir à nouveau l’énergie disponible et produire une sorte de mini Big Bang, ce moment où la matière est apparue dans l’univers. De quoi mieux connaître nos origines et, peut-être, ouvrir la voie à des applications que l’on ne peut guère imaginer aujourd’hui. L’histoire du laser est donc loin d’être terminée. Elle pourrait conduire à la création d’une paire de particules, sans doute un électron et un antiélectron, qui jailliraient du vide…

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