Des scientifiques de l'Université de Constance ont développé une méthode qui utilise des flashs femtosecondes pour générer des impulsions d'électrons d'une durée d'environ cinq attosecondes. Cette avancée offre une résolution temporelle supérieure à celle des ondes lumineuses, ouvrant la voie à l’observation de phénomènes ultrarapides tels que les réactions nucléaires. C’est également l’un des signaux les plus courts jamais produits par les physiciens.
Les processus moléculaires ou à l'état solide dans la nature peuvent parfois se produire sur des échelles de temps aussi courtes que les femtosecondes (quatre milliardièmes de seconde) ou les attosecondes (cinq milliardièmes de seconde). Les réactions nucléaires sont encore plus rapides. Aujourd'hui, les scientifiques Maxim Tsarev, Johannes Thurner et Peter Baum de l'Université de Constance utilisent un nouveau dispositif expérimental pour obtenir des signaux d'une durée attoseconde, soit un milliardième de nanoseconde, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives dans le domaine des phénomènes ultrarapides.
Même les ondes lumineuses ne peuvent pas atteindre une telle résolution temporelle car une seule oscillation prend trop de temps. Les électrons sont un remède, car ils peuvent améliorer considérablement la résolution temporelle. Dans leur configuration expérimentale, les chercheurs de Constance ont utilisé une paire d'éclairs femtosecondes provenant d'un laser pour générer des impulsions d'électrons extrêmement courtes dans un faisceau en espace libre. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Physics.
Comment les scientifiques font-ils cela ?
Semblables aux vagues d'eau, les ondes lumineuses peuvent également être superposées pour créer les crêtes et les creux des vagues stationnaires ou progressives. Les physiciens ont choisi l'angle d'incidence et la fréquence de telle sorte que les électrons résonants se déplaçant dans le vide à la moitié de la vitesse de la lumière chevauchent les crêtes et les creux des ondes lumineuses se déplaçant exactement à la même vitesse. Le soi-disant « pouvoir de réflexion » pousse les électrons dans la direction du prochain creux de la vague. Ainsi, après une brève interaction, une série d’impulsions électroniques extrêmement courtes est produite, en particulier au milieu de la séquence d’impulsions, là où le champ électrique est très puissant.
Pendant une courte période, l'impulsion électronique ne dure qu'environ cinq attosecondes. Pour comprendre ce processus, les chercheurs ont mesuré la distribution des vitesses des électrons après compression. Le physicien Johannes Tourner explique : « La vitesse de l'impulsion de sortie n'est pas très uniforme, mais elle a une distribution très large, qui est le résultat d'une forte décélération ou accélération de certains électrons pendant le processus de compression.
Importance pour la recherche
Le scientifique a déclaré que d'un point de vue mécanique quantique, il s'agit de la superposition temporelle (interférence) des électrons avec eux-mêmes après avoir subi la même accélération à différents moments. Cet effet est lié aux expériences de mécanique quantique, telles que l’interaction des électrons avec la lumière.
Il est également remarquable que les ondes électromagnétiques planes comme les faisceaux lumineux sont généralement incapables d’induire des changements permanents de vitesse chez les électrons dans le vide, car l’énergie totale et l’impulsion totale des électrons massifs et des particules lumineuses (photons) de masse au repos nulle ne peuvent pas rester constantes. Cependant, ce problème peut être résolu par la présence simultanée de deux photons dans une onde plus lente que la vitesse de la lumière (effet Capizza-Dirac).
Pour Peter Baum, professeur de physique à l'université de Constance et chef du groupe Lumière et matière, ces résultats relèvent clairement de la recherche fondamentale, mais il souligne l'énorme potentiel de recherches futures : "Si un matériau est choqué par deux de nos impulsions courtes à des intervalles de temps différents, la première impulsion peut provoquer des changements et la seconde impulsion peut être utilisée pour l'observation - comme le flash d'un appareil photo."
Il estime que le plus grand avantage est qu'aucun matériau n'est impliqué dans le principe expérimental et que tout se déroule dans l'espace libre. En principe, des lasers de n’importe quelle puissance pourraient être utilisés à l’avenir pour une compression plus forte. "Notre nouvelle technique de compression à deux photons nous permet d'entrer dans de nouvelles dimensions du temps et même de filmer les processus de réaction nucléaire", a déclaré Baum.