Dans les expériences au SLAC, une lumière laser intense (rouge) brillant à travers un cristal d'oxyde de magnésium a excité les électrons de « valence » les plus externes des atomes d'oxygène au plus profond de celui-ci. Lorsque ces électrons frappent les atomes voisins, les collisions ont généré une lumière d'énergie beaucoup plus élevée et de longueurs d'onde plus courtes (bleu) grâce à un processus appelé génération d'harmoniques élevées. La rotation du cristal et l'analyse de la lumière générée ont révélé la densité des électrons de valence de l'atome voisin, qui ne pouvait pas être vu directement auparavant. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Il peut être imprudent de juger un livre par sa couverture, mais vous pouvez en dire beaucoup sur un matériau à partir des électrons les plus externes de ses atomes.
"Ces électrons les plus externes, appelés électrons de valence, sont les acteurs les plus importants dans la formation de liaisons chimiques et définissent en fait presque toutes les propriétés d'un solide - électrique, thermique, conducteur, " dit Shambhu Ghimire, chercheur associé au Laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l'Énergie.
Aujourd'hui, Ghimire et deux collègues du Stanford PULSE Institute ont inventé une nouvelle façon de sonder les électrons de valence des atomes profondément à l'intérieur d'un solide cristallin.
Dans un rapport publié aujourd'hui à Physique de la nature , ils décrivent l'utilisation de la lumière laser pour exciter certains des électrons de valence, dirigez-les à l'intérieur du cristal et faites-les rebondir sur d'autres atomes. Cela produit des éclats de lumière à haute énergie qui sont invisibles à nos yeux, mais portent des indices sur la structure et la fonction atomiques du matériau.
"Cela va changer le monde de l'imagerie de l'intérieur des solides cristallins, " Ghimire dit, "comme la microscopie à effet tunnel, ou STM, changé l'imagerie à l'échelle atomique des surfaces."
Une nouvelle façon de regarder les atomes dans les solides
Inventé au début des années 80, STM était une méthode révolutionnaire qui a permis aux scientifiques de faire les premières images d'atomes individuels et de leurs liaisons. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1986.
Mais STM détecte les électrons de valence uniquement dans les deux ou trois couches supérieures d'atomes d'un matériau. Un flux de ces électrons dans la pointe de l'instrument crée un courant qui lui permet de mesurer la distance entre la pointe et la surface, traçant les bosses où les atomes surgissent et les vallées entre eux. Cela crée une image des atomes et fournit des informations sur les liaisons qui les maintiennent ensemble.
Chercheur postdoctoral Yong Sing You, la gauche, et le scientifique associé Shambhu Ghimire dans le laboratoire laser PULSE au SLAC où les expériences ont été réalisées. Crédit :SLAC National Accelerator Laboratory
Désormais, la nouvelle technique donnera aux scientifiques le même niveau d'accès aux électrons de valence profondément à l'intérieur du solide.
Les expérimentations, réalisée dans un laboratoire laser du SLAC par le chercheur postdoctoral PULSE Yong Sing You, en présence de cristaux d'oxyde de magnésium ou de magnésie, un minéral commun utilisé pour faire du ciment, préserver les livres de la bibliothèque et nettoyer les sols contaminés, parmi une foule d'autres choses.
Ces cristaux ont également la capacité de déplacer la lumière laser entrante vers des longueurs d'onde beaucoup plus courtes et des énergies plus élevées - tout comme le fait d'appuyer sur une corde de guitare produit une note plus élevée - grâce à un processus appelé génération d'harmoniques élevées, ou HHG.
Électroniques de direction pour générer de la lumière
Dans ce cas, les scientifiques ont soigneusement ajusté le faisceau laser infrarouge entrant afin qu'il excite les électrons de valence dans les atomes d'oxygène du cristal. Ces électrons ont oscillé, comme des cordes de guitare vibrantes, et a généré de la lumière de longueurs d'onde beaucoup plus courtes - dans l'extrême ultraviolet - à travers HHG.
Mais lorsqu'ils ont ajusté la polarisation du faisceau laser pour diriger les électrons excités le long de différentes trajectoires à l'intérieur du cristal, ils ont découvert que HHG n'avait lieu que lorsqu'un électron heurtait un atome voisin, et était plus efficace lorsqu'il a atteint le point mort de l'atome. Plus loin, la longueur d'onde de la lumière générée harmoniquement sortant – qui était 13 à 21 fois plus courte que la lumière qui entrait – révélait la densité des électrons de valence de l'atome voisin, la taille de l'atome et même s'il s'agissait d'un atome d'oxygène ou de magnésium.
"Il est difficile de se concentrer sur les électrons de valence avec les méthodes actuelles de mesure de la densité de charge électronique, qui utilisent généralement la diffraction des rayons X ou des électrons, " a déclaré le co-auteur de l'étude David Reis, professeur agrégé au SLAC et à Stanford et directeur adjoint de PULSE. "Donc, démontrer que nous pouvons le faire avec une sensibilité à l'échelle atomique dans une expérience laser de table est une étape importante."
Alain Fry, directeur de division pour la science et la technologie laser au laser à rayons X à source de lumière cohérente Linac du SLAC, n'a pas été impliqué dans l'expérience mais a félicité "l'équipe qui a développé cette technique et qui continue à faire des recherches passionnantes et intéressantes avec elle".
Bien que cette approche puisse être limitée aux matériaux qui peuvent générer de la lumière à travers HHG, il a dit, "Cela peut encore vous en dire beaucoup sur la structure électronique à l'intérieur de ces solides, et en principe pourrait nous donner une meilleure compréhension d'autres matériaux qui n'ont pas la même réponse. Comprendre des systèmes simples comme celui-ci constitue une base pour comprendre des systèmes plus complexes."
