Les physiciens de la Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sont entrés dans un nouveau territoire en ce qui concerne la pulsation des faisceaux d'électrons. Leur méthode pourrait bientôt être utilisée pour développer des microscopes électroniques adaptés à des échelles de temps ultracourtes telles que celles nécessaires à l'observation du mouvement des atomes.

Les microscopes électroniques ont ouvert un tout nouveau monde aux chercheurs :des dispositifs de balayage et de transmission de pointe peuvent désormais même imager des atomes individuels. Malgré l'obtention de cette résolution extrêmement élevée, fonctionner avec un faisceau d'électrons constant a ses inconvénients. Réactions ultra-rapides, comme la rupture de liaisons chimiques ou les vibrations d'atomes, ne peut pas être imagé avec cette méthode. A cause de ce problème, des microscopes ont été développés ces dernières années qui utilisent des faisceaux d'électrons pulsés. « Cela peut être comparé à un stroboscope qui capte le mouvement de l'objet à tester à l'aide d'une séquence rapide de flashs, " explique le professeur Peter Hommelhoff, Chaire de physique des lasers à la FAU. "Ce principe a maintenant été appliqué aux impulsions électroniques."

Électrons contrôlés par laser

Le défi particulier ici est de générer des impulsions aussi courtes que possible - car les «paquets» d'électrons avec des longueurs plus courtes réduisent l'échelle de temps à laquelle les mouvements atomiques peuvent être imagés. En utilisant un laser pour manipuler un flux d'électrons, ils ont réussi à produire des paquets d'électrons d'une longueur de 1,3 femtoseconde — une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde. Pour y parvenir, les physiciens devaient diriger un faisceau d'électrons sur la surface d'un réseau de silicium, où ils ont superposé le champ optique des impulsions laser sur celui-ci en deux sections. Dr Martin Kozak, membre de l'équipe de Hommelhoff et auteur principal de l'étude, explique :« Nous utilisons le laser pour contrôler la fréquence du champ périodique et le synchroniser avec la vitesse des électrons. Cela permet aux électrons de gagner ou de perdre de l'énergie, et nous pouvons générer des paquets ultra-courts à partir d'un faisceau continu."

Impulsions de l'ordre de l'attoseconde possibles

En plus de cette accélération et décélération contrôlées, les physiciens de la FAU ont réussi à dévier latéralement les électrons d'un réseau de silicium incliné à l'aide d'impulsions laser. Les électrons sont déviés dans un sens ou dans l'autre, selon le moment exact où ils interagissent avec le champ laser. Cette méthode de détection est également utilisée dans les caméras à balayage, qui ont déjà atteint des résolutions de l'ordre de la femtoseconde. La méthode développée à Erlangen permettra en effet d'atteindre des résolutions temporelles de l'ordre de l'attoseconde ou du milliardième d'un milliardième de seconde. Une application dans laquelle les caméras à balayage sont utilisées est d'observer la propagation de la lumière.