Des physiciens battent un record d’énergie laser dans les rayons X en dépassant la limite théorique du Nobel 2023
Par Eric Garletti
Un plafond que la physique des lasers tenait pour infranchissable depuis trente ans vient d’être poussé beaucoup plus haut, et ça s’est joué sur un atome qui ne compte que deux électrons.
Deux équipes, l’une à la TU Wien à Vienne et l’autre à l’université de Californie à San Diego, ont publié début août 2026 dans la revue Nature Photonics un résultat qui n’était pas prévu par le modèle de référence.
Elles ont en effet réussi à produire des rayons X cohérents dont l’énergie dépasse de loin la limite fixée par la théorie classique, en exploitant un comportement collectif de deux électrons intriqués (liés par un lien quantique qui empêche de les traiter séparément) dans un atome d’hélium.
L’expérience prolonge, en les débordant, les travaux qui avaient valu à Ferenc Krausz le prix Nobel de physique 2023.
Lire aussi :
- Contrairement à une idée reçue, l’Europe (France en tête) dépose 2,5 fois plus de brevets dans le public qu’il y a 20 ans mais c’est la commercialisation qui pèche
- À Versailles, les « gardiens du temps » ont acté un changement majeur dans notre façon de mesurer ce dernier sur notre planète : la fin de la seconde intercalaire
Un cadre de pensée hérité des années 1990
Le procédé s’appelle la génération d’harmoniques d’ordre élevé, ou HHG en abrégé. Il permet de transformer la lumière d’un laser ordinaire en impulsions beaucoup plus énergétiques, dans l’ultraviolet extrême et jusqu’aux rayons X.
L’opération se passe traditionnellement en trois temps :
- le laser arrache un électron à son atome
- son champ électrique l’accélère, puis le ramène violemment vers son point de départ
- en retombant, l’électron libère un éclair de lumière à une fréquence très élevée.
Cette danse à un seul partenaire fonctionne, mais elle vient avec une règle du jeu stricte. Il existe une énergie maximale que la lumière produite ne peut pas dépasser, ce que les physiciens appellent la coupure (ou cutoff). Au-delà, le signal s’effondre.
Cette limite dépend des propriétés du laser utilisé et elle est démontrée depuis les années 1990, à l’époque où le futur Nobel Ferenc Krausz posait les bases de la physique attoseconde (l’attoseconde valant un milliardième de milliardième de seconde).
Jusqu’ici, personne n’avait trouvé le moyen de passer franchement par-dessus.
Deux électrons valent mieux qu’un
Tenio Popmintchev, qui dirige l’équipe à Vienne et à San Diego, a fait travailler ses étudiants sur une variante : que se passerait-il si deux électrons jouaient en même temps ? Le pari exigeait un atome capable d’en céder deux à la suite, à la fois assez vite et assez proprement pour que le phénomène reste observable. L’hélium était le candidat parfait, avec exactement deux électrons liés à son noyau et des interactions entre eux particulièrement fortes.
Les chercheurs ont concentré sur un jet de gaz d’hélium des impulsions laser ultraviolettes très intenses, dans un guide d’ondes creux (un fin tube optique qui concentre la lumière). Au-delà d’un certain seuil d’intensité, le premier électron a été arraché, accéléré et ramené vers l’ion restant. Puis le second a suivi la même chorégraphie. Les deux particules n’avaient jamais totalement rompu leur lien quantique au cours du trajet, et les physiciens ont réussi à les faire revenir au même instant.
Résultat : au lieu de redonner chacun son énergie séparément, les deux électrons l’ont libérée d’un seul coup, dans un unique photon de rayon X beaucoup plus énergétique que ce que le modèle à un électron autorisait. Dans leur spectre, les chercheurs ont vu apparaître une seconde zone d’émission soutenue, un plateau plus faible mais nettement plus haut, qui montait jusqu’à environ 280 électronvolts. Cette bande touche la fenêtre de l’eau (water window), une plage de rayons X très recherchée par les biologistes parce qu’elle permet d’imager le vivant sans que l’eau n’absorbe tout le signal.
Pourquoi l’argon et le néon n’ont rien donné
Pour vérifier que le phénomène venait bien du jeu à deux entre les électrons, les équipes ont refait l’expérience avec deux autres gaz, l’argon et le néon et là… rien.
Aucun plateau secondaire au-dessus de la limite classique. Le signal est resté exactement là où la théorie à un électron le prévoyait.
La différence tient à la structure de ces atomes. Les électrons périphériques de l’argon et du néon évoluent dans un environnement bien plus peuplé, où les corrélations entre eux sont noyées dans le bruit du cortège électronique. L’hélium, lui, offre un terrain nu, où le lien entre ses deux pensionnaires devient la seule physique qui compte.
| Gaz utilisé | Nombre d’électrons | Corrélations entre électrons | Résultat observé |
|---|---|---|---|
| Hélium | 2 | Très fortes, isolées du reste | Plateau secondaire jusqu’à environ 280 eV |
| Néon | 10 | Masquées par les couches internes | Aucun signal au-dessus de la limite classique |
| Argon | 18 | Diluées dans un cortège plus dense | Aucun signal au-dessus de la limite classique |
Cette symétrie entre les trois gaz a fourni le meilleur argument des auteurs : si le plateau supplémentaire n’était pas lié aux corrélations particulières de l’hélium, il serait apparu, au moins faiblement, chez les autres.
Du laboratoire des années 1990 à la sonde quantique
Le même institut de photonique à Vienne a servi de décor au futur Nobel Ferenc Krausz pour ses pionniers travaux attosecondes. Trente ans plus tard, l’équipe Popmintchev a repris les mêmes bancs d’optique pour aller au-delà de ce qui avait été salué à Stockholm en 2023. Entre-temps, les ingénieurs ont appris à produire des impulsions UV extrêmement courtes et à les contrôler avec une précision inimaginable à l’époque. Sans ces progrès, la double danse des électrons serait restée invisible.
L’intérêt dépasse largement les rayons X. En étudiant la forme du nouveau plateau, son extension en énergie et sa dépendance à la polarisation du laser, les physiciens disposent désormais d’un outil pour sonder la manière dont deux électrons interagissent à l’échelle de l’attoseconde. Autrement dit, un thermomètre pour l’intrication, cette propriété quantique qui est au cœur des ordinateurs quantiques et de la conception des nanomatériaux (matériaux structurés à l’échelle du nanomètre).
À terme, les auteurs espèrent reproduire le principe sur des molécules et sur des solides fortement corrélés, c’est-à-dire des matériaux où les électrons passent leur vie à se tenir mutuellement en échec. On y trouve notamment les supraconducteurs, qui transportent l’électricité sans perte, et dont la mécanique interne échappe encore à la théorie. Si la méthode suit, elle permettra d’y jeter un œil direct, à des échelles de temps que personne n’avait encore ouvertes.
Le fait que ce premier pas se soit fait sur l’hélium, l’un des atomes les plus simples de la table des éléments, est en soi une petite leçon.
Les ruptures les plus marquantes en physique ne naissent pas forcément dans des dispositifs toujours plus massifs. Parfois, il suffit de deux électrons et d’un laser bien tenu.
Sources :
- Étude dans Nature Photonics :
Wang, S., Yan, J., de las Heras, A. et al. Correlated electrons extend X-ray high-harmonic generation beyond the single-electron limit. Nat. Photon. 20, 1092–1098 (2026). https://doi.org/10.1038/s41566-026-01976-2 - TU Wien, X-rays: Beyond the Nobel Prize Limit (août 2026)
https://www.tuwien.at/en/tu-wien/news/press-releases/news/roentgenstrahlung-jenseits-der-nobelpreis-grenze
Communiqué officiel de la TU Wien détaillant le dispositif expérimental, les déclarations de Tenio et Dimitar Popmintchev et le lien avec les travaux du Nobel 2023.
Commentaires