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    Un métronome pour les particules quantiques

    Crédit :CC0 Domaine public

    Un nouveau protocole de mesure, développé à la TU Wien (Vienne), permet de mesurer la phase quantique des électrons, une étape importante pour la physique attoseconde.

    C'est comme un microscope pour le temps :les méthodes actuelles de la physique attoseconde nous permettent de mesurer des intervalles de temps extrêmement courts. A l'aide de courtes impulsions laser, les processus physiques peuvent être étudiés sur une échelle de temps de l'attoseconde, c'est-à-dire des milliardièmes de milliardième de seconde.

    Par exemple, il est possible d'étudier comment un seul atome est ionisé et comment un électron quitte l'atome. L'électron ne se comporte pas simplement comme une particule ponctuelle, mais ses propriétés d'onde physique quantique jouent un rôle important :l'électron est en fait une onde électronique qui oscille sur une échelle de temps extrêmement courte et sur une échelle de longueur minuscule. C'est un énorme défi de mesurer la durée du cycle d'une telle oscillation, mais il est encore plus difficile de déterminer sa phase :quel est exactement le battement que suit l'oscillation de l'électron ? Si un électron peut être ionisé de deux manières différentes, les deux ondes électroniques oscilleront-elles à l'unisson, ou y aura-t-il un petit retard (c'est-à-dire un déphasage) ? Une équipe de la TU Wien (Vienne) et du CREOL College de l'Université de Floride centrale a désormais conçu théoriquement un protocole permettant de mesurer la phase de telles ondes électroniques. Cela permet une nouvelle, meilleure vision des phénomènes importants utilisés dans les photocapteurs ou photovoltaïques.

    Les électrons sont-ils désynchronisés ?

    « Toute vague se compose de crêtes et de creux de vagues, et la phase de la vague nous indique à quels points de l'espace et du temps ils se trouvent, " dit Stefan Donsa, qui a développé la nouvelle méthode de mesure, travaillant sur sa thèse dans le groupe de recherche du professeur Joachim Burgdörfer (Institute for Theoretical Physics, TU Vienne). "Si deux ondes quantiques se chevauchent de telle manière que chaque pic d'onde d'une onde rencontre un pic d'onde de l'autre onde, puis ils s'additionnent. Mais si vous déplacez un peu l'une des vagues de sorte que la crête d'une vague se superpose au creux de l'autre vague, ils peuvent aussi s'annuler." Par conséquent, les déphasages jouent un rôle très important en physique quantique.

    C'est comme trouver le bon rythme en musique :il ne suffit pas que deux musiciens jouent au même tempo. Leurs battements doivent également coïncider exactement dans le temps, sans aucun déphasage entre les deux. Pour cela, vous avez besoin d'une horloge de référence, comme un chef d'orchestre ou un métronome. Le protocole de mesure quantique nouvellement développé utilise quelque chose de similaire :un processus atomique sert de référence pour l'autre.

    Un ou deux photons

    « Dans les simulations informatiques, nous avons étudié des atomes d'hélium qui sont ionisés par des impulsions laser à différentes énergies, " dit Iva Brezinova. " L'atome d'hélium peut absorber un photon de l'impulsion laser et émettre un électron. Cet électron a alors une phase spécifique, ce qui est extrêmement difficile à mesurer."

    L'astuce de la méthode nouvellement développée est d'ajouter un deuxième effet quantique en tant qu'horloge, servant de métronome quantique, pour ainsi dire. Au lieu d'absorber un seul photon, l'atome peut aussi absorber deux photons à la fois, sous certaines conditions. Cette double absorption conduit au même résultat final :un électron s'envolant avec une énergie très spécifique. Mais cette fois cet électron a une phase différente, et cette différence peut être mesurée.

    Protocoles de mesure compliqués

    En physique attoseconde, il n'est pas possible de créer simplement un film d'un système physique quantique avec une caméra. Au lieu, des protocoles expérimentaux complexes doivent être utilisés. Divers protocoles de ce type sont actuellement utilisés, mais aucun d'entre eux n'a permis jusqu'à présent de mesurer directement la phase électronique.

    Le nouveau protocole, qui a maintenant été développé par les équipes de Vienne et de Floride, devrait rendre cela possible. "Notre nouveau protocole de mesure nous permet de traduire l'information sur la phase électronique dans sa distribution spatiale en combinant des impulsions laser très particulières, " explique Stefan Donsa. " En utilisant le bon type d'impulsions laser, l'information de phase peut être directement obtenue à partir de la distribution angulaire des électrons."

    Le protocole expérimental nouvellement proposé a été publié dans la revue Lettres d'examen physique . Maintenant, c'est à l'expérimentation de tester les limites de cette méthode, afin de voir quelles informations de mécanique quantique peuvent être obtenues en pratique en utilisant le nouveau protocole.

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