Voir le monde à travers les sciences

Sciences : « Voir le monde à travers les sciences »

“Part of the entire purpose of why we have science, and, in particular, the methods and tools of science, is to decode that which is true about nature that otherwise transcends our sensory perception.” Neil deGrasse Tyson

L’échographie est une technique d’imagerie médicale qui permet de créer une image des organes internes d’un patient grâce à l’écho d’un faisceau sonore d’ultrasons projeté par une machine, qui va être plus ou moins absorbé, diffusé, réfracté ou réfléchi par les tissus du corps.

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En combinant les différents échos grâce à un ordinateur, on peut reconstituer une image bidimensionnelle de l’intérieur du corps. Cette technique a de nombreux avantages, par exemple, elle est accessible et elle permet de détecter le flux sanguin dans les veines et les artères. Elle a cependant une résolution limitée, et elle ne peut pas détecter les artères de moins de quelques millimètres de diamètre, ce qui constitue une barrière considérable lors de la réalisation d’images du cerveau, puisque la plus grande artère dans ce dernier ne fait que 4 millimètres de diamètre en moyenne. De nombreux laboratoires autour du monde s’intéressent à ce problème, puisqu’en observant l’activité des vaisseaux sanguins dans le cerveau, on peut déduire la quantité d’oxygène consommée par les neurones à un endroit précis, ce qui permet de mesurer très précisément l’activité du cerveau en ce point, de façon immédiate, peu invasive et accessible, puisqu’il existe des échographes de poche. Des chercheurs Français ont trouvé une solution à ce problème en combinant deux techniques déjà connues : l’IFU (Imagerie ultrasonore fonctionnelle) qui peut détecter les vaisseaux sanguins avec une grande sensibilité sur des grands volumes et à une très grande vitesse, mais avec peu de précision et l’ULM (Microscopie par localisation ultrasonore) qui permet de créer des images de haute qualité mais à fréquence plus réduite. Les chercheurs ont réussi à créer des images de grande qualité du réseau vasculaire du cerveau en traquant très précisément le parcours de millions de petites bulles de gaz de quelques microns de diamètre qui avaient été préalablement injectées dans le patient. En reconstituant le parcours des bulles, on peut obtenir une carte très claire des connexions des vaisseaux sanguins à l’intérieur du cerveau. Une étude datant de 2022 a même réussi à réaliser une étude fonctionnelle du cerveau en calculant le nombre et la vitesse des bulles de gaz. [pic 2]

Cette technique présente quelques dangers, comme une embolie ou la cavitation (implosion) des bulles sous l’effet de l’ultrason, mais ils restent très réduits et cette technique est prometteuse, car elle permettrait de mieux comprendre des maladies comme la maladie d’Alzheimer et donc de concevoir de nouveaux traitements.

En 2023, deux Français et un Autrichien ont gagné le prix Nobel de Physique. Ce prix récompense chaque année la plus grande avancée en Physique. Cette année, c’est le développement des lasers attosecondes qui a valu à ces scientifiques de gagner le prix. Les lasers attoseconde sont des machines qui peuvent émettre un flash de lumière à une longueur d’onde précise, et de façon ordonnée, le tout pendant à peine quelques attosecondes (10-18 seconde), d’où leur nom. Pour produire des impulsions lumineuses aussi courtes, un gaz inerte est stimulé grâce à un laser femtoseconde (10-15 seconde) qui arrache les électrons des atomes et ensuite les réattire, et à chaque fois qu’un électron heurte un atome, un flash de lumière ultraviolette de quelques attosecondes est émis. La fréquence de cette impulsion est une harmonique (un multiple entier) de la fréquence du laser qui a été utilisé pour stimuler le gaz, et dans les bonnes conditions, ces flashs de lumière peuvent se renforcer entre eux pour donner une impulsion finale qui dure quelques dizaines d’attosecondes. Cependant, cette technique est connue depuis assez longtemps, mais il a fallu attendre 2023 pour que la durée des impulsions lumineuses soit confirmée grâce aux méthodes inventées par Pierre Agostini et Ferenc Krausz. L’une de ces techniques consiste à séparer le laser original en deux, une partie qui vas produire les harmoniques et une partie qui va voyager sans perturbation, et à ensuite les recombiner pour analyser les interférences qui se créent pour déterminer la durée des impulsions. En physique, les lasers sont souvent utilisés pour étudier la structure interne de la matière, ils permettent en effet de prendre des « photographies » de celle-ci à des échelles de temps très réduites. Par exemple, la rotation d’une molécule sur elle-même dure quelques picosecondes (10-12 seconde) et le mouvement d’un atome à l’intérieur d’une molécule se fait sur une échelle temporelle de quelques femtosecondes. Cependant, depuis 25 ans (invention du laser femtoseconde en 1999), la communauté scientifique essayait de mieux comprendre le mouvement des électrons à l’intérieur des atomes sans y arriver, car un électron fait le tour d’un atome d’hydrogène en environ 150 attosecondes. Mais grâce à ces nouvelles découvertes, nous pouvons enfin observer précisément le mouvement des électrons autour du noyau atomique, ce qui ouvre les portes à de nouvelles découvertes en Physique des particules et en Physique quantique. Pour nous parler de ces découvertes, nous avons pu poser quelques questions à Pierre Agostini, l’un des récipiendaires du prix Nobel :

Le Trimestriel : Qu’est-ce qu’un laser attoseconde, et en quoi avez-vous participé à leur développement ? Pensez-vous qu’il serait possible, et utile, de créer des lasers avec des durées encore plus brèves ?

Pierre Agostini : Les sources attosecondes ne sont pas des lasers mais des sources secondaires (Harmoniques) dérivées des lasers. Notre contribution a été de démontrer par la technique RABBITT (NdR : Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon Transitions, une technique largement utilisée pour mesurer la durée des impulsions attosecondes, voir article) que   les harmoniques produisaient effectivement des attosecondes. L’impulsion la plus brève est actuellement de 43 attosecondes. Il existe une mesure de temps inferieure a l’attoseconde, de 247 zeptosecondes (10-21 seconde), mais pas encore d’impulsions dans les zeptosecondes. Des calculs théoriques suggèrent différentes solutions pour atteindre les zeptos ou même les yoctosecondes (10-24 seconde).

LT : À part la recherche en Physique théorique, pensez-vous que les technologies que vous avez développées peuvent servir dans d’autres domaines ?

P.A. : Il a des applications en Physique Atomique et Moléculaire et en physique du solide. Ces applications en physique fondamentale concernent le mouvement des électrons. Il y plusieurs applications du moins des propriétés spectrales de ces sources dans de domaines aussi différents que la technologie des microprocesseurs ou la détection précoce de cancers.

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