Une nouvelle technologie laser a permis aux physiciens du Laboratoire de physique attoseconde (dirigé conjointement par LMU Munich et l'Institut Max Planck d'optique quantique) de générer des rafales attosecondes de photons de haute énergie d'une intensité sans précédent. Cela a permis d'observer l'interaction de plusieurs photons dans une seule impulsion avec des électrons dans la couche orbitale interne d'un atome.

Afin d'observer le mouvement ultrarapide des électrons dans les couches internes des atomes avec de courtes impulsions lumineuses, les impulsions ne doivent pas seulement être ultracourtes, mais très lumineux, et les photons délivrés doivent avoir une énergie suffisamment élevée. Cette combinaison de propriétés est recherchée dans les laboratoires du monde entier depuis 15 ans. Physiciens du Laboratoire de Physique Attoseconde (LAP), une joint-venture entre la Ludwig-Maximilians-Universität Munich (LMU) et le Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ), ont désormais réussi à réunir les conditions nécessaires pour atteindre cet objectif. Dans leurs dernières expériences, ils ont pu observer l'interaction non linéaire d'une impulsion attoseconde avec des électrons dans l'une des couches orbitales internes autour du noyau atomique. Dans ce contexte, le terme « non linéaire » indique que l'interaction implique plus d'un photon (dans ce cas particulier, deux sont impliqués). Cette percée a été rendue possible par le développement d'une nouvelle source d'impulsions attosecondes. Une attoseconde dure exactement un milliardième de milliardième de seconde.

La porte pour observer le mouvement ultrarapide des électrons au plus profond des atomes a été ouverte. Les physiciens du Laboratoire de physique attoseconde (LAP) du LMU Munich ont développé une technologie qui leur permet de générer des impulsions attosecondes intenses. Ces impulsions peuvent être utilisées pour suivre le mouvement des électrons dans les couches internes des atomes en temps réel en gelant ce mouvement à des vitesses d'obturation attosecondes.

La procédure expérimentale utilisée pour filmer les électrons en mouvement utilise l'approche « pompe-sonde ». Les électrons d'un atome cible sont d'abord excités par un photon contenu dans l'impulsion de pompe, qui est ensuite suivi après un court délai d'un deuxième photon dans une impulsion de sonde. Ce dernier révèle essentiellement l'effet du photon pompe. Afin de mettre en œuvre cette procédure, les photons doivent être si serrés qu'un seul atome dans la cible peut être touché par deux photons à la suite. De plus, si ces photons doivent avoir une chance d'atteindre les couches électroniques internes, ils doivent avoir des énergies dans l'extrémité supérieure du spectre ultraviolet extrême (XUV). Aucun groupe de recherche n'a réussi auparavant à générer des impulsions attosecondes avec la densité de photons requise dans cette région spectrale.

La technologie qui a rendu possible cette prouesse repose sur la mise à l'échelle de sources conventionnelles d'impulsions attosecondes. Une équipe dirigée par le professeur Laszlo Veisz a développé un nouveau laser à haute puissance capable d'émettre des rafales de lumière infrarouge - chacune consistant en seulement quelques cycles d'oscillation - qui contiennent 100 fois plus de photons par impulsion que dans les systèmes conventionnels. Ces impulsions, à son tour, permettent la génération d'impulsions attosecondes isolées de lumière XUV contenant 100 fois plus de photons que dans les sources attosecondes conventionnelles.

Dans une première série d'expériences, les impulsions attosecondes de haute énergie ont été focalisées sur un flux de gaz xénon. Les photons qui interagissent avec une enveloppe interne d'un atome de xénon éjectent des électrons de cette enveloppe et ionisent l'atome. En utilisant ce qu'on appelle un microscope ionique pour détecter ces ions, les scientifiques ont pu, pour la première fois, observer l'interaction de deux photons confinés dans une impulsion attoseconde avec des électrons dans les couches orbitales internes d'un atome. Dans les expériences précédentes de l'attoseconde, il n'a été possible d'observer l'interaction des électrons de la couche interne qu'avec un seul photon XUV.

"Les expériences dans lesquelles il est possible d'avoir des électrons de la couche interne interagissant avec deux impulsions attosecondes XUV sont souvent appelées le Saint Graal de la physique attoseconde. Avec deux impulsions XUV, nous serions capables de "filmer" le mouvement des électrons dans les couches atomiques internes sans perturber leur dynamique, " dit le Dr Boris Bergues, le chef de la nouvelle étude. Cela représente une avancée significative sur les expériences attosecondes impliquant une excitation avec un seul photon XUV attoseconde. Dans ces expériences, l'état résultant a été « photographié » avec une impulsion infrarouge plus longue, qui avait lui-même une influence significative sur le mouvement des électrons qui s'ensuivit.

"La dynamique des électrons dans les couches internes des atomes est d'un intérêt particulier, car ils résultent d'une interaction complexe entre de nombreux électrons qui interagissent les uns avec les autres, " comme l'explique Bergues. " La dynamique détaillée résultant de ces interactions soulève de nombreuses questions, que nous pouvons maintenant aborder expérimentalement en utilisant notre nouvelle source attoseconde."

A l'étape suivante, les physiciens planifient une expérience dans laquelle ils résoudront l'interaction dans le temps en divisant l'impulsion attoseconde de haute intensité en impulsions de pompe et de sonde séparées.

L'application réussie de l'optique non linéaire dans le domaine attoseconde pour sonder le comportement des électrons dans les couches orbitales internes des atomes ouvre la porte à une nouvelle compréhension de la dynamique multicorps complexe des particules subatomiques. La capacité de filmer le mouvement des électrons profondément à l'intérieur des atomes promet de révéler beaucoup sur un royaume mystérieux qui est resté caché.