La dynamique des électrons change très légèrement à chaque interaction avec un photon. Les physiciens de l'ETH Zurich ont maintenant mesuré une telle interaction dans sa forme sans doute la plus pure, en enregistrant les retards à l'échelle de l'attoseconde associés aux transitions d'un photon dans un électron non lié.

L'effet photoélectrique, où les photons frappant la matière provoquent l'émission d'électrons, est l'un des effets par excellence de la mécanique quantique. Einstein a expliqué le mécanisme clé sous-jacent au phénomène en 1905, ce qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1921. Il s'appuie sur un concept introduit cinq ans plus tôt par Max Planck :l'énergie électromagnétique n'est absorbée et émise que par paquets discrets, c'est-à-dire en quanta. Le concept quantique a révolutionné la physique. L'effet photoélectrique, Pour sa part, a été exploré de plus en plus en détail, et est aujourd'hui exploité dans des applications allant des cellules solaires aux lunettes de vision nocturne.

Un changement dans la compréhension de l'effet est apparu au cours de la dernière décennie. Les expériences au laser ont permis d'observer directement la dynamique quantique complexe qui se déroule à l'échelle de l'attoseconde lorsque les électrons sont retirés de leur système parent lorsqu'ils interagissent avec la lumière. Cependant, les mesures résolues dans le temps du processus de photoionisation dans sa forme sans doute la plus pure - l'absorption et l'émission de photons uniques par un seul électron non lié - sont restées insaisissables, jusqu'à maintenant.

Ecrire dans le journal Optique , Jaco Fuchs et ses collègues du groupe Ultrafast Laser Physics du professeur Ursula Keller à l'Institute of Quantum Electronics, travailler avec des collaborateurs aux États-Unis, Autriche et Espagne, rapportent une expérience dans laquelle ils ont mesuré comment l'absorption et l'émission de photons uniques modifient la dynamique d'un électron qui n'est pas lié à un noyau atomique, mais a toujours son potentiel coulombien. Présentation d'un nouveau protocole expérimental, ils ont découvert que la dynamique dépend du moment angulaire de l'électron photoionisé. Les chercheurs ont mesuré un délai allant jusqu'à 12 attosecondes entre les électrons s et d sortants dans l'hélium. Il s'agit d'une signature subtile mais indubitable des effets sous-jacents de la mécanique quantique. Et ils ont observé des phénomènes fondamentaux d'origine classique, aussi - ils ont mesuré les changements de phase indiquant que dans les électrons d, la propagation vers l'extérieur est plus lente que dans les électrons s. Cela peut s'expliquer par la plus grande fraction d'énergie de rotation et donc une énergie radiale plus faible dans les électrons d.

Extraire la contribution des photons uniques

Ces résultats marquent plusieurs premières. Le groupe Keller a été pionnier dans divers domaines de l'attoscience, y compris la mesure des retards attosecondes dans la photo-ionisation qui surviennent lorsque les électrons photoexcités se propagent dans le potentiel de l'ion parent, résultant en un retard de groupe mesurable. La mesure de ces retards à l'échelle de l'attoseconde fait typiquement intervenir au moins deux photons, rendant exceptionnellement difficile l'extraction de la contribution des photons uniques. Fuchs et al. ont maintenant trouvé un moyen de le faire.

Dans leur cas, deux photons sont impliqués, l'un dans l'extrême ultraviolet (XUV) et l'autre dans l'infrarouge (IR). Mais ils ont conçu une procédure d'ajustement qui leur a permis d'extraire de leurs données de haute qualité les amplitudes et les phases relatives de toutes les voies quantiques par lesquelles la photo-ionisation se déroule dans leur système. De cette façon, ils ont pu isoler les contributions des photons IR, qui sont celles qui induisent des transitions dans un électron non lié (alors que les photons XUV ionisent l'atome en transférant un électron d'un état lié au continuum).

Mesure directe des retards résultant de Bremsstrahlung

Non seulement les physiciens de l'ETH ont eu accès aux délais de toute transition à un photon - ce sont également les premières mesures de ces délais pour l'absorption et l'émission de photons par des électrons non liés, un phénomène connu sous le nom (inverse) de Bremsstrahlung. Les résultats expérimentaux sont bien reproduits par deux méthodes théoriques indépendantes employées par Fuchs et ses collègues. Ces simulations fournissent également la preuve que certains des effets observés sont universels dans le sens où ils sont indépendants de l'espèce atomique de l'ion parent.

Ce travail illustre que 115 ans après les travaux fondateurs d'Einstein, l'effet photoélectrique ne cesse d'inspirer. Les outils introduits par Fuchs et ses collaborateurs offrent de nouvelles capacités expérimentales pour étudier la dynamique de la photoionisation, à la fois dans les atomes et dans les petites molécules. De telles études pourraient à leur tour fournir une meilleure compréhension des délais de photoémission, en particulier en présence d'interactions dans la gamme intermédiaire à longue.