Une impulsion laser frappe un atome d'hélium. L'un des électrons est arraché à l'atome, l'autre électron peut changer d'état quantique. Crédit :TU Vienne
Lorsqu'un système quantique change d'état, c'est ce qu'on appelle un saut quantique. D'habitude, ces sauts quantiques sont considérés comme instantanés. Maintenant, de nouvelles méthodes de mesures de haute précision permettent d'étudier l'évolution temporelle de ces sauts quantiques. Sur une échelle de temps de l'attoseconde, leur structure temporelle devient visible. C'est la mesure du temps la plus précise des sauts quantiques à ce jour.
Les particules quantiques peuvent changer d'état très rapidement, c'est ce qu'on appelle un "saut quantique". Un atome, par exemple, peut absorber un photon, se transformant ainsi en un état d'énergie supérieure. D'habitude, on pense que ces processus se produisent instantanément, d'un instant à l'autre. Cependant, avec de nouvelles méthodes, développé à la TU Wien (Vienne), il est maintenant possible d'étudier la structure temporelle de ces changements d'état extrêmement rapides. Tout comme un microscope électronique nous permet d'observer de minuscules structures trop petites pour être vues à l'œil nu, les impulsions laser ultracourtes permettent d'analyser des structures temporelles autrefois inaccessibles.
La partie théorique du projet a été réalisée par l'équipe du Prof. Joachim Burgdörfer à la TU Wien (Vienne), qui a également développé l'idée initiale de l'expérience. L'expérience a été réalisée au Max-Planck-Institute for Quantum Optics à Garching (Allemagne). Les résultats sont maintenant publiés dans la revue Physique de la nature .
La mesure du temps la plus précise des sauts quantiques
Un atome d'hélium neutre a deux électrons. Lorsqu'il est touché par une impulsion laser à haute énergie, il peut être ionisé :un des électrons est arraché à l'atome et s'en éloigne. Ce processus se produit sur une échelle de temps d'attosecondes - une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde.
"On pourrait imaginer que l'autre électron, qui reste dans l'atome, ne joue pas vraiment un rôle important dans ce processus, mais ce n'est pas vrai", dit Renate Pazourek (TU Wien). Les deux électrons sont corrélés, ils sont étroitement liés par les lois de la physique quantique, ils ne peuvent pas être considérés comme des particules indépendantes. "Quand un électron est retiré de l'atome, une partie de l'énergie laser peut être transférée au deuxième électron. Il reste dans l'atome, mais il est élevé à un état d'énergie supérieure", dit Stefan Nagele (TU Wien).
Une fois qu'un photon a retiré un électron d'un atome d'hélium, il est possible de calculer la position probable de l'électron restant. La position la plus probable de l'électron est montrée sur l'image comme la zone la plus lumineuse autour du noyau atomique (qui lui-même n'est pas visible sur l'image) Crédit :M. Ossiander (TUM) / M. Schultz (MPQ)
Par conséquent, il est possible de distinguer deux processus d'ionisation différents :l'un, dans lequel l'électron restant gagne de l'énergie supplémentaire et un, dans lequel il reste dans un état d'énergie minimale. En utilisant une configuration expérimentale sophistiquée, il a été possible de montrer que la durée de ces deux processus n'est pas exactement la même.
"Lorsque l'électron restant passe à un état excité, le processus de photo-ionisation est légèrement plus rapide - d'environ cinq attosecondes", dit Stefan Nagele. Il est remarquable de constater à quel point les résultats expérimentaux concordent avec les calculs théoriques et les simulations informatiques à grande échelle effectués au pôle scientifique de Vienne, Le plus grand supercalculateur d'Autriche :"La précision de l'expérience est meilleure qu'une attoseconde. C'est la mesure de temps la plus précise d'un saut quantique à ce jour", dit Renate Pazourek.
Contrôle des Attosecondes
L'expérience fournit de nouvelles connaissances sur la physique des échelles de temps ultracourtes. Effets, qui il y a quelques décennies étaient encore considérés comme « instantanés » peuvent maintenant être considérés comme des développements temporels qui peuvent être calculés, mesuré et même contrôlé. Cela aide non seulement à comprendre les lois fondamentales de la nature, il apporte également de nouvelles possibilités de manipuler la matière à l'échelle quantique.
