Les chercheurs ont, pendant une fraction de seconde seulement, entrevu le monde à l'œil d'un électron. C'est-à-dire, ils ont réussi pour la première fois à suivre un électron quittant le voisinage d'un atome au fur et à mesure que l'atome absorbe la lumière. D'une manière semblable à prendre des « instantanés » du processus, ils ont pu suivre comment l'élan unique de chaque électron a changé au cours du laps de temps incroyablement court qu'il a fallu pour échapper à son atome hôte et devenir un électron libre.

Dans la revue Physique de la nature , les chercheurs écrivent que suivre les électrons dans les moindres détails constitue une première étape vers le contrôle du comportement des électrons à l'intérieur de la matière - et donc la première étape d'une route longue et compliquée qui pourrait éventuellement conduire à la capacité de créer de nouveaux états de la matière à volonté.

Une conséquence immédiate est que les chercheurs peuvent désormais classer le comportement en mécanique quantique des électrons de différents atomes, a expliqué le chef de projet Louis DiMauro, Chaire Hagenlocker et professeur de physique à l'Ohio State University.

"Maintenant, nous pouvons regarder un électron et déchiffrer son histoire primitive. Nous pouvons nous demander en quoi est-il différent s'il provient d'un atome d'hélium ou d'un atome de néon, par exemple, " il a dit.

Mais l'objectif ultime des chercheurs est de cartographier les systèmes de mécanique quantique - qui s'appliquent au monde ultra-petit - à une échelle beaucoup plus grande afin qu'ils puissent éventuellement diriger les mouvements de particules subatomiques à l'intérieur d'une molécule.

"Si vous pensez à chaque instantané que nous prenons comme une image dans un film, peut-être qu'un jour nous pourrions arrêter le film à une image particulière et changer ce qui se passe ensuite - disons, en piquant un électron avec de la lumière et en changeant sa direction. Ce serait comme entrer dans une réaction chimique et faire en sorte que la réaction se produise d'une manière différente de ce qu'elle serait naturellement, " a déclaré DiMauro.

Essentiellement, lui et le doctorant en physique Dietrich Kiesewetter et leurs collègues ont prouvé qu'une technique de laboratoire bien établie pour étudier les électrons libres pouvait être utilisée pour étudier les électrons qui ne sont pas encore tout à fait libres, mais plutôt en train de sortir d'un atome.

Les électrons se comportent différemment lorsqu'ils peuvent ressentir le tiraillement des forces subatomiques d'un noyau et des électrons voisins, et plus ils s'éloignent d'un atome, ces forces diminuent. Bien que la libération prenne moins d'une femtoseconde (un quadrillionième de seconde), cette étude montre comment la quantité de mouvement d'un électron change plusieurs fois en cours de route lorsqu'il perd le contact avec des parties individuelles de l'atome. Ces changements ont lieu à l'échelle de l'attoseconde (millièmes de femtoseconde, ou quintillionièmes de seconde).

La technique utilisée par les chercheurs s'appelle RABBITT, ou Reconstruction du battement attoseconde en interférant des transitions à deux photons, et cela implique de frapper les atomes dans un gaz avec de la lumière pour révéler des informations de mécanique quantique. Il existe depuis près de 15 ans, et est devenu une procédure standard pour étudier les processus qui se produisent sur des échelles de temps très courtes.

Toutes les informations de mécanique quantique provenant de RABBITT ne sont pas exploitables, cependant—ou, au moins, tout n'était pas considéré comme utilisable jusqu'à présent. C'est pourquoi ils ont baptisé leur version de la technique RABBITT+.

"Nous utilisons les informations que d'autres personnes rejetteraient, la partie qui vient de près du noyau de l'atome, car les données semblaient toujours trop complexes à déchiffrer, " DiMauro a déclaré. "Nous avons développé un modèle qui montre que nous pouvons extraire des informations simples mais importantes à partir des informations plus complexes."

DiMauro a crédité Robert Jones, le professeur Francis H. Smith de physique à l'Université de Virginie, avec l'élaboration des éléments clés du modèle qui rendaient l'information utile. Les autres co-auteurs de l'article incluent Pierre Agostini, professeur de physique à l'Ohio State, et anciens doctorants Stephen Schoun et Antoine Camper, qui ont depuis obtenu leur diplôme.