Un attoclock cristallin
Des physiciens mesurent la dynamique des électrons mobiles dans les solides avec une résolution temporelle sans précédent
Par expérience, conduire dans le centre ville prend plus de temps que de parcourir la même distance sur une route de campagne. En effet, vous rencontrerez beaucoup d'autres usagers, de feux rouges, de travaux et d'embouteillages dans le centre ville. À l'inverse, si vous voulez savoir si une route est très fréquentée sans avoir à vous mêler à la circulation, vous pouvez mesurer le temps que mettent les voitures pour parcourir une certaine distance. C'est précisément de cette manière que les systèmes de navigation modernes identifient les obstacles à la circulation. Dans le microcosme, ce concept est maintenu. Lorsque les électrons (les plus petits porteurs de charge possibles) se déplacent dans des solides, ils peuvent interagir avec d'autres électrons, modifiant ainsi leur dynamique. Toutefois, en raison de la masse minuscule des électrons, les processus concernés se déroulent à une vitesse inimaginable et suivent les lois intrigantes de la physique quantique plutôt que celles de la mécanique classique.
Les champs lumineux peuvent accélérer les électrons et les trous à travers les solides. Lorsque les porteurs de charge entrent en collision, de la lumière est émise. En mesurant ce processus de manière extrêmement précise dans le temps, il est possible de tirer des conclusions sur les corrélations entre plusieurs corps dans le cristal.
Brad Baxley (parttowhole.com)
Un groupe de physiciens dirigé par le professeur Rupert Huber, de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'université de Ratisbonne (Allemagne), et le professeur Mackillo Kira, du département d'ingénierie électrique et d'informatique de l'université du Michigan (États-Unis), a réussi pour la première fois à suivre le mouvement ultrarapide d'électrons libres dans des solides avec une précision époustouflante de quelques centaines d'attosecondes seulement. Cette résolution est suffisante pour étudier les plus petits changements dans la dynamique quantique des électrons causés par l'attraction d'autres porteurs de charge ou par des corrélations complexes entre plusieurs corps. L'équipe de recherche rend compte de ses résultats dans le numéro actuel de la revue scientifique Nature.
Une attoseconde correspond à la milliardième partie d'un milliardième de seconde, ce qui correspond à une seconde comme une seconde correspond à deux fois l'âge de l'univers. Même la lumière ne parcourrait qu'une distance de l'ordre du diamètre d'un atome en une attoseconde. Pour mesurer le mouvement des électrons sur des échelles de temps aussi courtes, les chercheurs ont mis au point un nouveau type de chronomètre attoseconde. Le "balancier" de cette horloge est donné par l'onde porteuse oscillante de la lumière - le champ alternatif le plus rapide qui puisse être contrôlé par l'homme. Le champ lumineux met littéralement les porteurs de charge sur une piste d'essai à travers le solide. Il accélère d'abord les électrons dans les échantillons de semi-conducteurs dans une direction, puis, après avoir inversé la direction du champ, les recolle avec l'espace dont ils ont été retirés, ce qu'on appelle des trous. Au cours de ce processus, des photons de haute énergie sont émis. Les collisions n'ont pas toujours la même probabilité de se produire, mais dépendent du moment où un électron commence son mouvement.
Les chercheurs ont chronométré cette trajectoire de collision avec plus de précision qu'un centième de période d'oscillation lumineuse et ont ainsi pu montrer comment les différentes forces d'attraction entre les porteurs de charge modifient leur dynamique. "De même qu'il vaut mieux partir plus tôt dans un trafic dense pour arriver à destination à l'heure, les électrons doivent commencer leur parcours de collision plus tôt si les rencontres entre électrons sont nombreuses et fortes dans un cristal", explique avec enthousiasme le premier auteur Josef Freudenstein de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'Université de Ratisbonne.
Pour étudier l'influence de forces d'attraction différentes entre les porteurs de charge, les chercheurs ont étudié une couche atomique unique de diséléniure de tungstène, un matériau semi-conducteur, à côté d'un échantillon massif du même matériau. Dans un solide exotique aussi peu épais, l'attraction entre les porteurs de charge est multipliée et le mouvement des électrons est modifié. En outre, il a été possible d'étudier d'autres paramètres critiques pour la dynamique des porteurs de charge : Si le champ lumineux accélérateur est amplifié, les électrons achèvent plus rapidement leur parcours de collision. Le même résultat est également observé lorsque de nombreux électrons commencent leur parcours en même temps. Ils font alors écran les uns aux autres et les porteurs de charge ne voient que de faibles forces d'attraction.
À partir du temps mesuré que mettent les électrons à terminer leur parcours, on peut donc déduire non seulement qu'une interaction a eu lieu, mais aussi comment. "À l'échelle de l'attoseconde, les effets d'interaction ne peuvent plus être expliqués par les lois de la physique classique ; ils sont de nature purement mécanique quantique. Suivre directement dans le domaine temporel la manière dont ils affectent le mouvement des électrons est extrêmement utile pour tester les théories quantiques à corps multiples les plus récentes", explique le professeur Mackillo Kira, dont le groupe a pu simuler la dynamique microscopique à l'aide de calculs de mécanique quantique.
"Pendant longtemps, la communauté de la physique des solides a cru que l'échelle de temps femtoseconde, beaucoup plus lente, était suffisante pour décrire la dynamique des électrons à l'état solide ; nos résultats réfutent clairement cette hypothèse", résume le professeur Rupert Huber, qui dirige les expériences à Ratisbonne, et ajoute : "Notre chronomètre attoseconde pourrait aider à mieux comprendre les corrélations entre plusieurs corps dans les matériaux quantiques modernes et à définir de nouvelles tendances pour le traitement futur de l'information quantique."
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.
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