Un puissant faisceau laser peut enlever un électron d’un atome – un processus qui se déroule presque instantanément. À l’Université de Technologie de Vienne (TUV), ce phénomène pourrait maintenant être étudié avec une résolution temporelle inférieure à dix attosecondes (dix milliardièmes de milliardième de seconde).
Des scientifiques ont réussi à observer un atome en cours d’ionisation et un électron libre en train de « naître ». Ces mesures donnent des informations précieuses sur les électrons dans l’atome, qui jusqu’à présent n’avaient pas été accessibles expérimentalement, tels que l’évolution temporelle de phase quantique de l’électron – le rythme d’oscillation des ondes quantiques.
Les interférences quantiques ondulatoires
Dans l’expérience, de courtes impulsions laser sont émises sur des atomes. Chaque impulsion peut être décrite comme une onde lumineuse – l’onde balaie l’atome, et, par conséquent, le champ électrique autour des atomes change. Ce champ arrache un électron de l’atome – mais le moment précis où cela se produit ne peut pas être définis.
« L’électron n’est pas supprimé de l’atome à un moment donné dans le temps lors de l’interaction avec l’impulsion laser. Il y a une superposition de plusieurs processus, comme c’est souvent le cas dans la mécanique quantique », explique Markus Kitzler de l’Institut photonique au TUV. Un seul électron quitte l’atome à des points différents dans le temps, et ces processus se combinent, un peu comme des vagues à la surface de l’eau, en se combinant à une forme d’onde complexe.
« Ces ondes d’interférences en mécanique quantique nous donnent des informations sur l’état initial quantique de l’électron au cours du processus d’ionisation », explique le professeur Joachim Burgdorfer (Institute for Theoretical Physics, TUV), dont l’équipe de recherche a collaboré étroitement avec les expérimentateurs à l’Institut photonique.
Tout dépend des phases…
Comme les vagues de l’océan, les particules quantiques, dans cette expérience, peuvent interférer de manière constructive ou destructive. Le cycle d’onde des électrons est extrêmement court, la phase quantique change rapidement. « Habituellement, cette phase quantique ne peut guère être mesurée », explique Markus Kitzler. Avec la combinaison de mesures de hautes précisions et de calculs théoriques plus élaborés, des informations sur la phase quantique de l’électron peuvent maintenant être obtenues.
L’outil important pour ces mesures a été un faisceau laser très particulier, contenant deux longueurs d’onde différentes. L’impulsion laser interagissant avec l’atome pouvait être adaptée très précisément. En utilisant de ces impulsions, les scientifiques ont pu mesurer la phase quantique de l’électron qui était à l’intérieur de l’atome (par rapport à la fréquence définie par la lumière laser) avant qu’il soit retiré par le laser. « Cette phase quantique que nous pouvons mesurer aujourd’hui, nous explique aussi les états d’énergie de l’électron dans l’atome, et de la position précise à laquelle l’ionisation a eu lieu », déclare Markus Kitzler. Pour ce faire, les scientifiques ont dû mesurer la phase quantique avec une incroyable précision de moins de dix attosecondes.
Une échelle de temps ultra-courte (loin des expériences quotidiennes)
Le laps de temps de dix attosecondes (10 * 10 ^ (-18) seconde) est si court que toute comparaison à d’autres échelles de temps échoue. Le ratio de dix ans à une seconde est de 300 millions pour un. La division d’un deuxième du même facteur nous amène à l’échelle de temps incroyablement court de trois nanosecondes – dans cette période, la lumière se déplace de seulement un mètre. C’est l’échelle de temps de la microélectronique. En divisant encore une fois cette période de temps minuscule par un facteur 300 millions de fois inférieur, nous arrivons à une dizaine d’attosecondes. Ceci, est l’échelle calendrier des processus atomiques. Elle est de l’ordre de grandeur de la période d’un électron orbitant autour de son noyau.
Afin de mesurer ou d’influencer ces processus, les scientifiques se sont efforcés d’accéder à ces échelles de temps depuis des années.
Citations de EurekAlert
Crédit image : par David Horman & Falcorian – Creative Commons 3.0
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