Les vibrations térahertz atomiques résolvent l'énigme des molécules à soliton ultra-court

Ces résultats pourraient contribuer à la mise au point de microscopes particulièrement rapides et sensibles aux produits chimiques, qui pourraient être utilisés pour identifier les matériaux

25.04.2022 - Allemagne

Des paquets stables d'ondes lumineuses - appelés solitons optiques - sont émis dans les lasers à impulsions ultracourtes sous la forme d'une chaîne de flashs lumineux. Ces solitons se combinent souvent en paires avec une séparation temporelle très courte. En introduisant des vibrations atomiques dans la gamme des térahertz, des chercheurs des universités de Bayreuth et de Wrocław ont maintenant résolu l'énigme de la formation de ces liens temporels. Ils rendent compte de leur découverte dans Nature Communications. La dynamique des paquets de lumière couplés peut être utilisée pour mesurer les vibrations atomiques, qui constituent les "empreintes digitales" caractéristiques des matériaux, de manière extrêmement rapide.

Dans les lasers à impulsions ultracourtes, les solitons optiques peuvent former des liens spatiaux et temporels particulièrement étroits. On les appelle aussi "molécules de solitons" ultracourts car ils sont couplés de manière stable les uns aux autres, comme les atomes d'une molécule liés chimiquement. Le groupe de recherche de Bayreuth a utilisé un laser à solide très répandu, composé d'un cristal de saphir dopé avec des atomes de titane, pour découvrir comment ce couplage se produit. Tout d'abord, un seul éclair de lumière stimule les atomes du réseau cristallin du saphir et les fait vibrer instantanément. Ces mouvements caractéristiques oscillent dans la gamme des térahertz et décroissent à nouveau en quelques picosecondes (une picoseconde correspond à un trillionième de seconde). Dans ce laps de temps extrêmement court, l'indice de réfraction du cristal change. Lorsqu'un deuxième flash lumineux suit et rattrape immédiatement le premier, il perçoit ce changement : il n'est pas seulement légèrement affecté par les vibrations atomiques, mais peut aussi se lier de manière stable au soliton précédent. Une "molécule de soliton" est née.

"Le mécanisme que nous avons découvert est basé sur les effets physiques de la diffusion Raman et de l'autofocalisation. Il explique une variété de phénomènes qui ont laissé la science perplexe depuis l'invention des lasers titane-saphir il y a plus de 30 ans. Ce qui est particulièrement passionnant dans cette découverte, c'est que nous pouvons maintenant exploiter la dynamique des solitons pendant leur génération dans la cavité du laser pour balayer les liaisons atomiques dans les matériaux de manière extrêmement rapide. La mesure complète d'un spectre Raman intracavité prend désormais moins d'un millième de seconde. Ces résultats pourraient contribuer à la mise au point de microscopes chimiquement sensibles particulièrement rapides, qui pourraient être utilisés pour identifier des matériaux. En outre, le mécanisme de couplage ouvre la voie à de nouvelles stratégies pour contrôler les impulsions lumineuses par des mouvements atomiques et, inversement, pour générer des états uniques des matériaux par des impulsions lumineuses", explique le Dr Georg Herink, chef de l'étude et professeur junior de dynamique ultrarapide à l'université de Bayreuth.

Parallèlement à l'analyse des données expérimentales, les chercheurs ont réussi à développer un modèle théorique pour la dynamique des solitons. Le modèle permet d'expliquer les observations obtenues dans les expériences et de prédire les nouveaux effets des vibrations atomiques sur la dynamique des solitons. Les interactions des solitons dans les systèmes optiques et leurs applications pour la spectroscopie à haute vitesse sont actuellement étudiées dans le cadre du projet de recherche DFG FINTEC à l'Université de Bayreuth.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

Publication originale

Alexandra Völkel, Luca Nimmesgern, Adam Mielnik-Pyszczorski, Timo Wirth, Georg Herink: Intracavity Raman Scattering couples Soliton Molecules with Terahertz Phonons. Nature Communications 13, 2066 (2022).

https://www.chemeurope.com/fr/news/1175754/les-vibrations-terahertz-atomiques-resolvent-l-enigme-des-molecules-a-soliton-ultra-court.html