Des physiciens du Laboratoire de physique attoseconde (co-dirigé par le LMU Munich et l'Institut Max Planck d'optique quantique) ont mis au point un microscope électronique attoseconde qui leur permet de visualiser la dispersion de la lumière dans le temps et dans l'espace, et observer les mouvements des électrons dans les atomes.

La plus fondamentale de toutes les interactions physiques dans la nature est celle entre la lumière et la matière. Cette interaction a lieu en temps attoseconde (c'est-à-dire en milliardièmes de milliardième de seconde). Ce qui se passe exactement en un temps étonnamment court est jusqu'à présent resté largement inaccessible. Maintenant une équipe de recherche dirigée par le Dr Peter Baum et le Dr Yuya Morimoto au Laboratoire de physique attoseconde (LAP), une collaboration entre le LMU Munich et le Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), a développé un nouveau mode de microscopie électronique, qui permet d'observer cette interaction fondamentale en temps réel et dans l'espace réel.

Pour visualiser les phénomènes qui se produisent à l'échelle attoseconde, comme l'interaction entre la lumière et les atomes, on a besoin d'une méthode qui suit le rythme des processus ultrarapides à une résolution spatiale à l'échelle atomique. Pour répondre à ces exigences, Baum et Morimoto utilisent le fait que les électrons, comme particules élémentaires, possèdent également des propriétés ondulatoires et peuvent se comporter comme des paquets d'ondes. Les chercheurs dirigent un faisceau d'électrons sur un feuille diélectrique, où l'onde électronique est modulée par irradiation avec un laser orienté orthogonalement. L'interaction avec le champ optique oscillant accélère et décélère alternativement les électrons, ce qui conduit à la formation d'un train d'impulsions attosecondes. Ces paquets d'ondes se composent d'environ 100 impulsions individuelles, dont chacun dure environ 800 attosecondes.

Aux fins de la microscopie, ces trains d'impulsions électroniques ont un grand avantage sur les séquences d'impulsions optiques attosecondes :ils ont une longueur d'onde beaucoup plus courte. Ils peuvent donc être employés pour observer des particules de dimensions inférieures à 1 nanomètre, comme les atomes. Ces caractéristiques font des trains d'impulsions d'électrons ultracourts un outil idéal pour surveiller, en temps réel, les processus ultrarapides initiés par l'impact des oscillations lumineuses sur la matière.

Dans leurs deux premiers tests expérimentaux de la nouvelle méthode, les chercheurs munichois ont tourné leurs trains d'impulsions attosecondes sur un cristal de silicium, et ont pu observer comment les cycles lumineux se propagent et comment les paquets d'ondes électroniques ont été réfractés, diffractées et dispersées dans l'espace et le temps. À l'avenir, ce concept leur permettra de mesurer directement comment les électrons du cristal se comportent en réponse aux cycles de lumière, l'effet principal de toute interaction lumière-matière. En d'autres termes, la procédure atteint une résolution sous-atomique et sous-cycle de lumière, et les physiciens du LAP peuvent désormais surveiller ces interactions fondamentales en temps réel.

Leur prochain objectif est de générer des paquets d'ondes électroniques d'une seule attoseconde, afin de suivre ce qui se passe lors des interactions subatomiques avec une précision encore plus élevée. La nouvelle méthode pourrait trouver une application dans le développement de métamatériaux. Les métamatériaux sont artificiels, c'est-à-dire des nanostructures artificielles, dont la permittivité électrique et la perméabilité magnétique divergent sensiblement de celles des matériaux conventionnels. Ceci à son tour donne lieu à des phénomènes optiques uniques, qui ouvrent de nouvelles perspectives en optique et optoélectronique. En effet, les métamatériaux pourraient bien servir de composants de base dans les futurs ordinateurs alimentés par la lumière.