Les 50 picosecondes de la vie d’un atome

Parfois présenté comme le quatrième état de la matière, le plasma est un milieu peuplé de particules chargées, d’ions et d’électrons. Dans les plasmas dits « hors équilibre », les électrons sont extrêmement énergétiques tandis que les atomes et les molécules restent relativement « froids ». C’est précisément ce régime qui caractérise les jets microplasma à pression atmosphérique en hélium, ou μAPPJ, de fins jets ionisés, macroscopiquement stables à l’air libre, que le Laboratoire des sciences des procédés et des matériaux (LSPM, CNRS) a placé au cœur de ses récents travaux. Les espèces chimiques telles que l’hydrogène atomique, jouent un rôle central dans la dynamique de ces milieux, mais il était jusqu’alors impossible de mesurer « en direct » leur réactivité ultrarapide. Leur durée de vie dans un μAPPJ peut devenir en effet extrêmement courte, de l’ordre de quelques dizaines de picosecondes (millionièmes de millionièmes de seconde). Pour parvenir à saisir ce moment fugace, les scientifiques ont combiné une technique – le TALIF, et une combinaison d’instruments – un laser picoseconde et une caméra à balayage de fente (streak).

Une nouvelle fenêtre spatiale et temporelle d’observation des plasmas
 

La technique du Two‑Photon Absorption Laser‑Induced Fluorescence (TALIF) consiste à exciter un atome d’hydrogène en lui faisant absorber simultanément deux photons ultraviolets. Ainsi propulsé dans un état excité, instable, l’atome ne peut en sortir (revenir à son état fondamental) qu’en réémettant de la lumière. Cette fluorescence permet de détecter le nombre d’atomes en présence et combien de temps ils restent excités, c’est-à-dire leur durée de vie effective. Mais sous pression atmosphérique, les collisions entre atomes et molécules sont si fréquentes que l’état excité ne dure parfois que quelques dizaines de picosecondes. Et les diagnostics TALIF classiques à l’échelle nanoseconde, trop lents, brouillent les pistes en émettant un signal laser plus long que la durée de désexcitation de l’atome.

L’équipe du LSPM a donc monté une double instrumentation : un laser picoseconde, mille fois plus rapides que les lasers standards, et une caméra streak capable de transformer le temps en image avec une résolution maximale (là aussi) d’une picoseconde. Les chercheurs et chercheuses sont ainsi parvenus à suivre la décroissance lumineuse ultrarapide quasiment en temps réel. Ils ont donc pu mesurer pour la première fois, dans cet μAPPJ, des durées de vie effectives de l’hydrogène jusqu’à 50 picosecondes et accéder à des densités atomiques de l’ordre de 10¹⁴ atomes par cm³. Une fenêtre spatiale et temporelle d’observation inédite, qui comble un vide identifié depuis longtemps dans le diagnostic des plasmas hors équilibre. 

La prouesse est instrumentale, méthodologique et ouvre des perspectives importantes. Pour comprendre le fonctionnement de plasmas en apparence familiers, il aura fallu s’attarder sur la vie extrêmement brève des atomes qui les constituent. Ce faisant, les scientifiques ouvrent la voie à l’optimisation des plasmas déjà utilisés pour les traitements anticancéreux et antibactériens, la synthèse de nanomatériaux, ou encore la dépollution et le traitement de surfaces.

Références
Ultrafast ps–TALIF and streak camera diagnostics of atomic hydrogen in a helium microplasma jet.
D. Stefas, Y. Agha, L. Invernizzi, J. Santos Sousa, S. Prasanna, J. Franzke, C. Anastassiou, G. Lombardi and K. Gazeli.
J. Phys. D: Appl. Phys. 58 495201.
https://doi.org/10.1088/1361-6463/ae21ec
Article consultable sur les bases d’archives ouvertes Arxiv et HAL