Grâce à la spectroscopie de photoémission de pointe à résolution temporelle, des chercheurs du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie et de l'université de Stanford ont directement observé comment la lumière absorbée par un métal excite ses électrons, mettant ainsi en lumière les processus fondamentaux qui sous-tendent de nombreux dispositifs optoélectroniques.

Lorsque la lumière frappe un métal, son énergie peut exciter les électrons, les faisant passer d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau d’énergie supérieur. Ce processus, appelé photoexcitation, est crucial pour un large éventail de technologies, notamment les cellules solaires, les photodiodes et les diodes électroluminescentes (DEL). Cependant, la séquence exacte des événements qui se produisent lors de la photoexcitation reste insaisissable.

Les chercheurs ont désormais capturé une séquence détaillée de ces événements en temps réel, fournissant ainsi une observation directe de la façon dont la lumière excite les électrons dans un métal. L’équipe a mené les expériences à la source de lumière à rayonnement synchrotron de Stanford (SSRL) du SLAC et a utilisé un laser ultrarapide pour exciter les électrons dans un mince film de métal. Ils ont ensuite utilisé un spectromètre de photoémission résolu en temps pour mesurer l’énergie et l’impulsion des électrons excités en fonction du temps.

Les résultats, publiés dans la revue Nature, révèlent que la photoexcitation se produit en une série d'étapes. Premièrement, la lumière est absorbée par le métal, créant ainsi une paire électron-trou. L’électron et le trou accélèrent alors rapidement dans des directions opposées en raison des champs électriques créés par l’onde lumineuse. Finalement, l’électron et le trou se recombinent, émettant un photon de lumière.

Les chercheurs ont pu observer directement ce processus en utilisant une impulsion laser ultracourte pour exciter les électrons. Cela leur a permis de capturer la dynamique du processus de photoexcitation sur une échelle de temps de femtosecondes (10 à 15 secondes).

"Nous pouvons désormais voir exactement ce qui se passe lorsque la lumière frappe un métal", a déclaré Philip Heimann, professeur de physique appliquée à l'Université de Stanford et co-auteur de l'étude. "Il s'agit d'une compréhension fondamentale d'un processus essentiel à de nombreux dispositifs optoélectroniques."

Les découvertes de l’équipe pourraient conduire au développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques plus efficaces et ayant des temps de réponse plus rapides. Ils pourraient également aider les chercheurs à comprendre comment la lumière interagit avec d’autres matériaux, tels que les semi-conducteurs et les isolants.