Des scientifiques de l'EPFL ont pu mesurer le délai ultracourt de la photoémission d'électrons sans utiliser d'horloge. La découverte a des implications importantes pour la recherche fondamentale et la technologie de pointe.

Lorsque la lumière éclaire certains matériaux, cela leur fait émettre des électrons. C'est ce qu'on appelle la "photoémission" et cela a été expliqué par Albert Einstein en 1905, lui a valu le prix Nobel. Mais seulement ces dernières années, avec les progrès de la technologie laser, les scientifiques ont-ils pu approcher les échelles de temps incroyablement courtes de la photoémission. Des chercheurs de l'EPFL ont maintenant déterminé un retard d'un milliardième d'un milliardième de seconde dans la photoémission en mesurant le spin des électrons photoémis sans avoir besoin d'impulsions laser ultracourtes. La découverte est publiée dans Lettres d'examen physique .

Photoémission

La photoémission s'est avérée être un phénomène important, formant une plate-forme pour les techniques de spectroscopie de pointe qui permettent aux scientifiques d'étudier les propriétés des électrons dans un solide. Une de ces propriétés est le spin, une propriété quantique intrinsèque des particules qui donne l'impression qu'elles tournaient autour de leur axe. Le degré auquel cet axe est aligné vers une direction particulière est appelé polarisation de spin, c'est ce qui donne certains matériaux, comme le fer, Propriétés magnétiques.

Bien qu'il y ait eu de grands progrès dans l'utilisation de la photoémission et de la polarisation de spin des électrons photoémis, l'échelle de temps dans laquelle se déroule tout ce processus n'a pas été explorée en détail. L'hypothèse courante est que, une fois que la lumière atteint le matériau, les électrons sont instantanément excités et émis. Mais des études plus récentes utilisant une technologie laser avancée ont remis cela en question, montrant qu'il y a en fait un retard sur l'échelle de l'attoseconde.

Le temps sans horloge

Le labo d'Hugo Dil à l'EPFL, avec des collègues en Allemagne, a montré que lors de la photoémission, la polarisation de spin des électrons émis peut être liée aux retards attosecondes de la photoémission. Plus important, ils l'ont montré sans avoir besoin d'aucune résolution ou mesure temporelle expérimentale - essentiellement, sans avoir besoin d'une horloge. Pour faire ça, les scientifiques ont utilisé un type de spectroscopie de photoémission (SARPES) pour mesurer le spin des électrons photo-émis à partir d'un cristal de cuivre.

"Avec les lasers, vous pouvez mesurer directement le délai entre différents processus, mais il est difficile de déterminer quand un processus démarre - temps zéro, " dit Mauro Fanciulli, un doctorant du groupe de Dil et premier auteur de l'article. "Mais dans notre expérience, nous mesurons le temps indirectement, nous n'avons donc pas ce problème - nous pourrions accéder à l'une des échelles de temps les plus courtes jamais mesurées. Les deux techniques [spin et lasers], sont complémentaires, et ensemble, ils peuvent produire un tout nouveau domaine d'informations."

L'information sur l'échelle de temps de la photoémission est incluse dans la fonction d'onde des électrons émis. Il s'agit d'une description quantique de la probabilité de trouver un électron donné à un moment donné. En utilisant SAPRES, les scientifiques ont pu mesurer le spin des électrons, ce qui leur a permis d'accéder à leurs propriétés de fonction d'onde.

« Le travail est une preuve de principe qui peut déclencher de nouvelles recherches fondamentales et appliquées, " dit Hugo Dil. " Il traite de la nature fondamentale du temps lui-même et aidera à comprendre les détails du processus de photoémission, mais il peut également être utilisé en spectroscopie de photoémission sur des matériaux d'intérêt. » Certains de ces matériaux incluent le graphène et les supraconducteurs à haute température, que Dil et ses collègues étudieront ensuite.