Électron (vert) émis par un atome de tungstène dans la deuxième couche atomique du diséléniure de tungstène semi-conducteur (WSe2). L'électron commence sa trajectoire avec un mouvement orbital et ce n'est qu'après un certain temps que le vol rectiligne de l'atome émetteur prend le relais. L'électron en orbite ou « dansant » dépend de l'état initial et varie donc entre les atomes de tungstène et de sélénium et différents états initiaux. Des impulsions lumineuses ultracourtes ont été utilisées pour chronométrer la course entre les différents canaux d'émission avec une précision de 10 à 17 secondes. Crédit :Université de Bielefeld
Même plus de 100 ans après l'explication d'Einstein sur la photoémission, le processus d'émission d'électrons à partir d'un matériau solide lors d'un éclairage avec de la lumière pose toujours des surprises difficiles. Dans le rapport maintenant publié dans la revue Science des impulsions lumineuses ultracourtes ont été utilisées pour lancer une course entre les électrons émis à partir de différents états initiaux dans un matériau solide. Le chronométrage de cette course révèle un résultat inattendu :les électrons les plus rapides arrivent à la dernière place.
Pour la nouvelle publication, des physiciens de l'Université de Bielefeld (Allemagne) ont coopéré avec des collègues du Centre international de physique de Donostia et de l'Université du Pays basque à San Sebastian (Espagne).
Le mouvement d'un électron émis est fortement affecté par les interactions à l'intérieur de l'atome à partir duquel l'électron est émis. Les électrons photoémis d'une surface restent piégés pendant un certain temps, confiné dynamiquement par la barrière centrifuge autour des atomes. Le mouvement de ces électrons autour des noyaux, avant d'être finalement émis, est une sorte de danse menant à une image intuitive (voir figure) que les électrons qui restent plus longtemps dansant autour de l'atome perdent la course et sont émis en dernier. En revanche, les électrons allant droit gagnent la course. Cette observation a nécessité une révision des modèles théoriques communs décrivant la photoémission des solides, c'est-à-dire que cette interaction intra-atomique initiale a dû être prise en compte et pose une nouvelle pierre angulaire pour les futurs modèles améliorés du processus de photoémission des solides.
La résolution expérimentale des minuscules retards dans le processus de photoémission nécessitait de chronométrer l'événement d'émission, c'est-à-dire le moment où l'électron quitte le matériau, avec une résolution sans précédent de 10 -17 secondes. Usain Bolt parcourrait dans cet intervalle de temps une distance correspondant au dixième du rayon d'un noyau atomique et même la lumière ne se propage que de 3 nm (3x10 9 m). Cette résolution à peine concevable permet de chronométrer la course des électrons dans des expériences qui ont été réalisées à l'Université de Bielefeld en utilisant la spectroscopie laser avancée résolue en temps attoseconde. Le choix du diséléniure de tungstène comme matériau s'est avéré essentiel :il fournit quatre canaux d'émission de photoélectrons avec des propriétés d'état initial différentes et la stabilité exceptionnelle de la surface a permis la collecte de données à long terme améliorant la signification statistique.
Pour expliquer le résultat de la course aux électrons, une étroite collaboration avec une équipe de physiciens théoriciens du Centre international de physique de Donostia et de l'Université du Pays basque à San Sebastian s'est avérée essentielle. La modélisation quantitative des processus intra-atomiques et de la propagation des électrons dans le cristal semi-conducteur a démontré que le mouvement initial d'orbite ne doit pas être négligé si l'on considère la dynamique du processus de photoémission d'un solide. Pourtant, le modèle théorique réalisé ne représente qu'une première étape dans l'interprétation de la course des électrons mesurée puisque le mouvement intra-atomique et la propagation dans le cristal sont traités séparément. À l'avenir, ces processus seront traités dans une approche unifiée et la théorie ainsi améliorée de la photoémission ouvrira de nouvelles possibilités pour tester expérimentalement et améliorer notre compréhension du processus très fondamental de la photoémission.
Les progrès rapportés dans la compréhension de la photoémission des solides sont devenus réalisables sur la base de techniques laser attosecondes récemment développées. Le contrôle de la lumière avec une résolution attoseconde ouvre des perspectives fascinantes sur la dynamique des électrons à l'échelle atomique. Alors que la spectroscopie femtoseconde servait à étudier et contrôler le mouvement atomique, la spectroscopie attoseconde aborde désormais directement les principes fondamentaux de l'interaction de la lumière avec la matière. En plus d'une meilleure compréhension fondamentale, ces techniques offrent des possibilités de contrôler les processus électroniques pilotés par la lumière. La spectroscopie appliquée repose sur l'accélération et la décélération des électrons émis dans un champ électrique intense dépendant du temps. Basé sur une meilleure compréhension du processus de photoémission lui-même, cela servira dans les futures expériences pour résoudre les variations des champs lumineux avec une résolution sub-atomique, c'est-à-dire à une échelle qui n'était pas accessible jusqu'à présent.
