Corrélation quantique révélée par un délai d'une attoseconde
Des applications révolutionnaires telles que la collecte efficace de l'énergie solaire, la technologie des capteurs ultrafins et la photocatalyse améliorée sont possibles
Des expériences résolues en temps à l'échelle de l'attoseconde révèlent l'importance croissante des corrélations électroniques dans la réponse plasmonique collective à mesure que la taille du système diminue jusqu'à des échelles inférieures au nanomètre. L'étude, publiée dans la revue "Science Advances", a été menée par l'université de Hambourg et DESY dans le cadre d'une collaboration avec Stanford, le SLAC National Accelerator Laboratory, la Ludwig-Maximilians-Universität München, la Northwest Missouri State University, le Politecnico di Milano et l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière.
L'électron, qui se propage dans le potentiel plasmonique, accumule un délai de photoémission allant d'un minimum de 50 attosecondes à environ 300 attosecondes, en fonction de son énergie cinétique.
RMT.Bergues
Les plasmons sont des excitations électroniques collectives qui produisent des effets uniques dans la matière. Ils permettent d'obtenir un confinement extrême de la lumière, ce qui ouvre la voie à des applications révolutionnaires telles que la collecte efficace de l'énergie solaire, la technologie des capteurs ultrafins et l'amélioration de la photocatalyse. La miniaturisation des structures plasmoniques à l'échelle nanométrique a donné naissance au domaine passionnant de la nanoplasmonique, où l'énergie optique peut être confinée et manipulée à des échelles sans précédent. "Cette recherche de pointe ouvre de nouvelles voies pour le développement de plateformes ultra-compactes et très performantes, où les interactions lumière-matière peuvent être contrôlées en tirant parti des effets quantiques émergeant à l'échelle nanométrique", déclare Francesca Calegari, chef du groupe Attosecond Science, professeur à l'université de Hambourg, scientifique en chef à DESY et porte-parole du pôle d'excellence "CUI : Imagerie avancée de la matière".
Si les propriétés des résonances plasmoniques dans les systèmes dont les dimensions sont inférieures à 10 nanomètres sont bien comprises, la compréhension de la plasmonique à l'échelle de quelques nanomètres ou sous-nanométrique reste limitée. Dans ces systèmes, les fullerènes constituent un cas unique : Ces molécules en forme de cage, composées d'atomes de carbone, présentent des résonances plasmoniques géantes aux énergies ultraviolettes extrêmes (XUV), qui peuvent déclencher une photoémission. Les largeurs de raies de ces résonances sont très étendues, ce qui suggère des durées de vie potentielles de l'ordre de l'attoseconde. Une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde.
La dynamique ultrarapide de ces systèmes offre une plateforme exceptionnelle pour sonder les mécanismes physiques fondamentaux qui régissent le mouvement électronique collectif dans les particules plasmoniques sub-nanométriques. "La compréhension de ces mécanismes est cruciale pour faire progresser le domaine de la nanoplasmonique", explique Andrea Trabattoni, chercheur à DESY et professeur associé à l'université Leibniz de Hanovre (LUH).
Dans leur étude, les scientifiques ont utilisé la spectroscopie attoseconde pour étudier expérimentalement et théoriquement la dynamique plasmonique du fullerène le plus abondant, C₆₀. Les molécules ont été photoionisées par une impulsion ultraviolette ultracourte de 300 attosecondes. En utilisant la spectroscopie de photoémission attoseconde, les scientifiques ont mesuré avec précision le délai nécessaire pour que l'électron s'échappe de la molécule lors de l'excitation plasmonique. Ils ont constaté que l'électron, se propageant dans le potentiel plasmonique, accumule un délai de photoémission allant d'un minimum de 50 attosecondes à environ 300 attosecondes, en fonction de son énergie cinétique.
S'appuyant sur des modèles de mécanique quantique, le groupe attribue ce retard à des corrélations quantiques électroniques. Ces résultats soulignent la nécessité d'aller au-delà de l'image classique du mouvement collectif des électrons pour comprendre pleinement la dynamique de ces environnements confinés ultrarapides.
"En mesurant le retard induit par les corrélations quantiques, nous ouvrons de nouvelles perspectives sur l'interaction entre la cohérence électronique et le confinement à des échelles inférieures au nanomètre", déclare Matthias Kling, professeur de science des photons à l'université de Stanford et directeur de la division Science et R&D au LCLS, SLAC National Accelerator Laboratory. "Ce travail démontre la puissance des techniques attosecondes pour sonder la nature quantique de la matière et ouvre la voie à de nouvelles approches dans la manipulation de la dynamique ultrarapide pour les technologies futures".
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Publication originale
Sh. Biswas, A. Trabattoni, Ph. Rupp, M. Magrakvelidze, M. El-Amine Madjet, U. De Giovannini, M. C. Castrovilli, M. Galli, Q. Liu, E. P. Månsson, J. Schötz1, V. Wanie, P. Wnuk, L. Colaizzi, D. Mocci, M. Reduzzi, M. Lucchini, M. Nisoli, A. Rubio, H. S. Chakraborty, M. F. Kling, F. Calegari Correlation-driven attosecond photoemission delay in the plasmonic excitation of C60 fullerene Science Advances 11, eads0494 (2025)
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