Arthur Ashkin, Gérard Mourou et Donna Strickland, prix Nobel de physique 2018. B. MCDERMID /C.PLATIAU /P.POWER / REUTERS

Six ans après le physicien Serge Haroche, un autre Français reçoit le prix Nobel de physique. Gérard Mourou, 74 ans, professeur émérite à l’Ecole polytechnique et ancien professeur à l’université du Michigan, partage la moitié de cette récompense prestigieuse avec son ancienne étudiante en thèse, Donna Strickland, à l’université de Rochester (Etat de New York). La Canadienne, 59 ans, aujourd’hui à l’université de Waterloo (Ontario), est la troisième femme seulement récompensée en physique, après Marie Curie en 1903 et Maria Goeppert-Mayer en 1963. L’autre moitié revient à l’Américain Arthur Ashkin, 96 ans, de l’université Cornell (Etat de New York).

Tous ces chercheurs ont comme point commun de jongler avec les grains de lumière, les photons. Si Serge Haroche réussissait à n’en piéger qu’un seul pour percer les secrets du monde quantique, Gérard Mourou et Donna Strickland, les manipulent par poignées entières, inventant, en 1985, une technique redoutable pour augmenter considérablement la puissance des lasers. En trente ans, celle-ci a été multipliée par plus d’un milliard. Pour qualifier cette avancée, certains parlent même de « loi de Mourou », par analogie avec la loi de Moore en électronique, qui décrit l’augmentation de la puissance des processeurs avec le temps.

Quant à Arthur Ashkin, il utilise des lasers bien moins intenses pour piéger des particules, des bactéries, des virus ou des cellules, comme s’il les tenait dans des pinces, afin de les étudier ou de les déplacer. La lumière laser exerce une pression qui peut pousser les petits objets. Cela a même servi à ralentir des atomes, une technique récompensée par le prix Nobel en 1997, auquel M. Ashkin aurait pu prétendre.

Concepts du lasers de puissance proposés par le Français Gérard Mourou. Le Monde Science&Médecine

« J’ai eu cette idée en partie au ski »

« Nous avons aujourd’hui des lasers d’un pétawatt [un million de milliards de watts], soit mille fois la puissance du réseau électrique mondial », a expliqué Gérard Mourou sur la scène de l’amphithéâtre Poincaré de l’Ecole polytechnique, mardi 2 octobre, lors de sa première conférence de presse. Mais bien sûr ces chiffres gigantesques ne s’expliquent que parce que l’énergie laser, finalement très faible, est délivrée dans un temps excessivement court, de l’ordre du millionième de milliardième de seconde, soit une femtoseconde. Les Nobel n’ont donc pas mis la main sur une martingale énergétique.

Néanmoins, ces puissances ne sont pas simples à obtenir. Jusque dans les années 1980, il suffisait de faire passer de la lumière dans un milieu amplificateur, par exemple un cristal de saphir dopé par du titane, pour augmenter la puissance. Mais à un moment ça casse, surtout si on utilise des impulsions de lumière de durée de plus en plus courte… Jusqu’aux travaux récompensés par le Nobel.

« J’ai eu cette idée en partie au ski », confie Gérard Mourou. Cette idée, baptisée « amplification à dérive de fréquence » – ou « chirped pulse amplification » en anglais –, consiste à ralentir les longueurs d’onde (ou couleur) composant l’impulsion, de manière à l’étaler dans le temps. Puis à amplifier cette lumière, désormais moins puissante, avant de la recomprimer pour qu’elle ait la bonne durée. Très vite, c’est le succès pour cette méthode non brevetée – notamment parce que Gérard Mourou venait de changer d’université, passant de celle de Rochester à celle du Michigan.

Une douzaine d’installations dans le monde atteignent ou atteindront prochainement le record du pétawatt. Leur but est d’utiliser ces faisceaux pour de la recherche fondamentale sur les milieux extrêmes que l’on trouve dans les étoiles ou les explosions nucléaires. Ou bien pour accélérer des particules comme des protons ou des électrons afin d’éliminer des tumeurs. Cela se fait déjà mais avec des accélérateurs classiques moins compacts que les lasers. Ou encore pour fabriquer des isotopes à usage médical, en se passant de réacteurs nucléaires.

« Un visionnaire qui a toujours un coup d’avance »

Gérard Mourou a également contribué au développement des techniques ophtalmologiques de réparation de cornée par des faisceaux lasers dont les impulsions sont si courtes qu’elles ne brûlent pas la matière biologique.

« Enfin ! Cela fait longtemps que ce prix était attendu. C’est mérité, clame Philippe Balcou, chercheur au Celia, à Bordeaux. L’une de ses forces est d’être un bon communicant et de se projeter dans l’avenir. » Au prix parfois d’exagérer la facilité à atteindre certains objectifs.

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« C’est un visionnaire qui a toujours un coup d’avance », témoigne Nicolae Zamfir, chef du projet européen ELI en Roumanie de réalisation d’un laser pétawatt. C’est d’ailleurs Gérard Mourou qui, à son retour en France, en 2005, après trente ans passés aux Etats-Unis, pousse ce projet à 1 milliard d’euros. Il veut doter l’Europe d’infrastructures de lasers intenses. Trois sites seront finalement choisis, en Hongrie, en Roumanie et en République tchèque.

« Il a une grande force de persuasion et d’entraînement », ajoute François Mathieu, chef de projet, en France, du laser Apollon, poussé lui aussi par Gérard Mourou, et qui espère dépasser le pétawatt en 2019. « Gérard fourmille d’idées, même si toutes n’aboutissent pas », constate Jean-Luc Miquel, du Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA) et chef de projet du laser mégajoule installé à Bordeaux pour simuler le comportement des bombes nucléaires.

Parmi ses idées, ses collègues de l’Ecole polytechnique développent X-CAN, un laser de plus de soixante fibres optiques fonctionnant ensemble, pour que le résultat soit toujours plus puissant. Le nobélisé a aussi des projets de désorbitage de satellites abandonnés, qu’une pichenette laser pousserait sur une trajectoire contrôlée vers la Terre. Ou encore de traitement des déchets radioactifs en les transmutant par des bombardements de neutrons accélérés par laser.

Il veut même viser mille fois plus que le pétawatt, avec des idées pour atteindre le seuil de l’exawatt. « Le Nobel est une reconnaissance considérable, souligne Gérard Mourou. Cela assoit les choses déjà faites et oblige à les dépasser. »

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