Illustration schématique du potentiel Kramers Henneberger formé par un mélange du potentiel atomique et d'un champ laser puissant. Crédit :UNIGE - Xavier Ravinet
Les atomes sont composés d'électrons se déplaçant autour d'un noyau central auquel ils sont liés. Les électrons peuvent également être arrachés via le puissant champ électrique d'un laser, surmonter la force de confinement de leur noyau. Il y a un demi-siècle, le théoricien Walter Henneberger s'est demandé s'il était possible d'utiliser un champ laser pour libérer un électron de son atome sans le retirer du noyau. De nombreux scientifiques considéraient que c'était impossible. Cependant, il a maintenant été confirmé avec succès par des physiciens de l'Université de Genève (UNIGE), La Suisse, et le Max Born Institute (MBI) à Berlin, Allemagne.
Pour la première fois, les chercheurs ont contrôlé la forme de l'impulsion laser pour garder un électron à la fois libre et lié à son noyau, et étaient en même temps capables de réguler la structure électronique de l'atome. Quoi de plus, ils ont également fait en sorte que ces états inhabituels amplifient la lumière laser et ont identifié une zone interdite. Dans cette zone, surnommé « Vallée de la mort, " les physiciens ont perdu tout leur pouvoir sur l'électron. Ces résultats font voler en éclats les concepts habituels liés à l'ionisation de la matière. Les résultats ont été publiés dans la revue Physique de la nature .
L'hypothèse de Henneberger proposait que si un électron était piégé dans le laser, il serait obligé de faire des allers-retours devant son noyau, et serait ainsi exposé au champ électrique du laser et du noyau. Ce double état permettrait de contrôler le mouvement des électrons exposés aux deux champs électriques, et laisserait les physiciens créer des atomes avec une nouvelle structure électronique accordable avec la lumière.
Exploiter les oscillations naturelles de l'électron
Plus un laser est intense, plus il devrait être facile d'ioniser l'atome - en d'autres termes, arracher les électrons au champ électrique attractif de leur noyau et les libérer dans l'espace. "Mais une fois l'atome ionisé, les électrons ne se contentent pas de quitter leur atome comme un train quitte une gare, ils ressentent toujours le champ électrique du laser, " explique Jean-Pierre Wolf, professeur au département de physique appliquée de la Faculté des sciences de l'UNIGE. « On a donc voulu savoir si, une fois les électrons libérés de leurs atomes, il est encore possible de les piéger dans le laser et de les forcer à rester près du noyau, comme le suggère l'hypothèse de Walter Henneberger, " il ajoute.
La seule façon d'y parvenir est de trouver la bonne forme pour l'impulsion laser afin d'imposer à l'électron des oscillations exactement identiques, pour que son énergie et son état restent stables. "L'électron oscille naturellement dans le champ du laser, mais si l'intensité du laser change, ces oscillations changent également, et cela oblige l'électron à changer son niveau d'énergie et donc son état, quitte même l'atome. C'est ce qui rend si difficile de voir des états si inhabituels, " ajoute Micha Ivanov, professeur au département théorique du MBI à Berlin.
Les physiciens ont testé différentes intensités laser afin que l'électron libéré de l'atome ait des oscillations régulières. Ils ont fait une découverte surprenante. "Contrairement aux attentes naturelles qui suggèrent que plus un laser est intense, plus il libère l'électron facilement, nous avons découvert qu'il y a une limite à l'intensité, à laquelle on ne peut plus ioniser l'atome, " observe Misha Ivanov. " Au-delà de ce seuil, nous pouvons à nouveau contrôler l'électron. » Les chercheurs ont surnommé cette limite « Death Valley, " suivant la suggestion du professeur Joe Eberly de l'Université de Rochester.
Confirmer une vieille hypothèse pour révolutionner la théorie physique
En plaçant l'électron dans un état dual qui n'est ni libre ni lié, les chercheurs ont trouvé un moyen de manipuler ces oscillations à leur guise. Cela leur permet de travailler directement sur la structure électronique de l'atome. Après plusieurs ajustements, les physiciens ont pu libérer l'électron de son noyau puis le piéger dans le champ électrique du laser, comme l'a suggéré Walter Henneberger. "En appliquant une intensité de 100 trillions de watts par cm 2 , nous avons pu dépasser le seuil de la Vallée de la Mort et piéger l'électron près de son atome parent dans un cycle d'oscillations régulières au sein du champ électrique du laser, " dit Jean-Pierre Wolf. A titre de comparaison, l'intensité du soleil sur la Terre est d'environ 100 watts par m 2 .
"Cela nous donne la possibilité de créer de nouveaux atomes habillés par le champ du laser, avec de nouveaux niveaux d'énergie des électrons, " explique Jean-Pierre Wolf. " On pensait auparavant que ce double état était impossible à créer, et nous venons de prouver le contraire. De plus, nous avons découvert que les électrons placés dans de tels états peuvent amplifier la lumière. Celui-ci jouera un rôle fondamental dans les théories et prédictions sur la propagation des lasers intenses dans les gaz, comme l'air, " conclut-il.
