Progrès dans l'étude des mouvements rapides d'électrons avec de courtes impulsions de lumière
Examiner simultanément les mouvements rapides des électrons avec une grande précision spatiale et une résolution temporelle de l'ordre de l'attoseconde - c'est ce qu'une équipe germano-suédoise vient de réussir. Les chercheurs ont combiné une variante spéciale de la microscopie électronique, appelée microscopie électronique à photoémission (PEEM), avec les possibilités de la physique attoseconde. Ils ont utilisé des flashs lumineux d'une durée inimaginable pour contrôler avec précision le mouvement des électrons et saisir leur comportement. Ce procédé pourrait permettre à l'avenir de mieux comprendre le comportement des électrons dans les nanomatériaux ou dans de nouvelles cellules solaires.
Représentation schématique du dispositif expérimental : des impulsions attosecondes (violet) détachent des électrons (vert) d'une surface cristalline. Le microscope électronique à photoémission (instrument conique en haut) examine les mouvements rapides des électrons.
Jan Vogelsang
Un coup d'œil dans la chambre à vide du microscope photoémissif à électrons de Lund : avec un appareil similaire, l'équipe de recherche a examiné des électrons qui avaient été extraits d'un échantillon par des impulsions laser.
Jan Vogelsang
Lorsqu'un électron se déplace dans une molécule ou un semi-conducteur, il le fait dans un laps de temps incroyablement court. Une équipe germano-suédoise dirigée par le physicien Jan Vogelsang de l'université d'Oldenburg a réalisé un progrès décisif dans la compréhension de ces processus : Les chercheurs ont suivi simultanément le mouvement d'électrons arrachés à des cristaux du composé oxyde de zinc par une impulsion laser, avec une résolution spatiale de l'ordre du nanomètre et une résolution temporelle jusqu'ici inégalée. L'équipe démontre ainsi l'applicabilité d'un procédé qui pourrait par exemple permettre de mieux comprendre le comportement des électrons dans les nanomatériaux ou les nouvelles cellules solaires. L'étude, publiée dans la revue Advanced Physics Research, a été menée par des chercheurs de l'université de Lund, dont la lauréate du prix Nobel de physique de cette année, le professeur Anne L'Huillier.
Dans les expériences, l'équipe a combiné une variante spéciale de la microscopie électronique, appelée microscopie électronique à photoémission (PEEM), avec les possibilités de la physique attoseconde. Dans ce cadre, les chercheurs utilisent des flashs lumineux d'une brièveté inimaginable pour contrôler avec précision le mouvement des électrons et saisir le comportement qui s'ensuit. "On peut s'imaginer que la procédure est similaire à celle de la photographie, lorsqu'on fige quasiment un mouvement rapide par un flash", explique Vogelsang. Une attoseconde est la milliardième partie d'un milliardième de seconde.
Comme le rapporte l'équipe, des expériences similaires n'avaient pas atteint auparavant la précision temporelle nécessaire pour pouvoir suivre le mouvement des électrons. Les petites particules élémentaires se déplacent nettement plus vite que les noyaux atomiques plus grands et plus lourds. Dans l'étude actuelle, il a toutefois été possible de combiner les deux procédés technologiquement exigeants que sont la microscopie électronique à photoémission et la microscopie attoseconde, sans que la résolution spatiale ou temporelle n'en souffre. "Nous avons enfin atteint le point où nous pouvons utiliser concrètement les impulsions attosecondes pour étudier en détail l'interaction entre la lumière et la matière à l'échelle atomique et dans les nanostructures", explique Vogelsang.
L'un des points qui a permis cette avancée a été l'utilisation d'une source de lumière qui produit un nombre particulièrement élevé d'éclairs attosecondes par seconde - dans ce cas, 200 000 impulsions lumineuses par seconde. Chaque éclair a libéré exactement un électron de la surface du cristal, ce qui a permis aux chercheurs d'étudier son comportement sans être dérangés. "Plus on obtient d'impulsions par seconde, plus il est facile d'extraire un petit signal de mesure d'un ensemble de données", explique le physicien.
La technologie nécessaire à cet effet est disponible dans le laboratoire d'Anne L'Huillier à l'université de Lund (Suède), où ont également eu lieu les recherches pour l'étude actuelle. Vogelsang, qui a effectué des recherches postdoctorales à Lund de 2017 à 2020, met également en place le procédé actuellement à l'université d'Oldenburg. À l'avenir, les deux équipes souhaitent poursuivre les recherches et explorer le comportement des électrons dans différents matériaux et nanostructures.
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 Allemand peut être trouvé ici.
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