Dans l'effet photoélectrique, un photon éjecte un électron d'un matériau. Les chercheurs de l'ETH ont maintenant utilisé des impulsions laser attosecondes pour mesurer l'évolution temporelle de cet effet dans les molécules. De leurs résultats, ils peuvent déduire l'emplacement exact d'un événement de photoionisation.

Lorsqu'un photon frappe un matériau, il peut en éjecter un électron à condition d'avoir suffisamment d'énergie. Albert Einstein a trouvé l'explication théorique de ce phénomène, qui est connu comme l'effet photoélectrique, à Berne au cours de son "année des merveilles" 1905. Cette explication a été une contribution cruciale au développement de la mécanique quantique, qui était en cours à l'époque, et cela lui a valu le prix Nobel de physique en 1921. Une équipe internationale de physiciens dirigée par Ursula Keller à l'Institut d'électronique quantique de l'EPF de Zurich a maintenant ajouté une nouvelle dimension à l'étude expérimentale de cet effet important. À l'aide d'impulsions laser attosecondes, ils ont pu mesurer une infime différence de temps dans l'éjection de l'électron d'une molécule en fonction de la position de l'électron à l'intérieur de la molécule.

"Pour un certain temps, les gens ont étudié l'évolution temporelle de l'effet photoélectrique dans les atomes", dit Ph.D. étudiante Jannie Vos, "mais très peu a été publié jusqu'à présent sur les molécules." Cela est principalement dû au fait que les molécules sont considérablement plus complexes que les atomes isolés. Dans un atome, l'électron le plus externe se déplaçant autour du noyau atomique est essentiellement catapulté hors de son orbite. Dans une molécule, par contre, deux ou plusieurs noyaux partagent le même électron. Son emplacement dépend de l'interaction entre les différents potentiels attractifs. La manière exacte dont l'effet photoélectrique se produit dans de telles conditions ne peut que maintenant être étudiée en détail.

Faire cela, Keller et ses collègues ont utilisé des molécules de monoxyde de carbone, qui se composent de deux atomes - un atome de carbone et un atome d'oxygène. Ces molécules ont été exposées à une impulsion laser ultraviolette extrême qui n'a duré que quelques attosecondes. (Une attoseconde est la milliardième partie d'un milliardième de seconde). L'énergie des photons ultraviolets a arraché un électron des molécules, qui par la suite se sont brisés en leurs atomes constitutifs. L'un de ces atomes s'est transformé en un ion chargé positivement au cours du processus. À l'aide d'un instrument spécial, les chercheurs ont ensuite mesuré les directions dans lesquelles les électrons et les ions se sont envolés. Une seconde impulsion laser, qui agissait comme une sorte de bâton de mesure, leur a également permis de déterminer l'instant précis auquel l'électron a quitté la molécule.

« De cette façon, nous avons pu, pour la première fois, pour mesurer la temporisation dite Stereo Wigner, " explique Laura Cattaneo, qui travaille comme chercheur postdoctoral dans le groupe de Keller. La temporisation stéréo Wigner mesure combien de temps plus tôt ou plus tard un électron quitte la molécule s'il est situé à proximité de l'atome d'oxygène ou de l'atome de carbone lorsque la photoionisation se produit. Les impulsions laser extrêmement courtes permettent de mesurer cet instant à quelques attosecondes près. A partir de ces informations, à son tour, il est possible de déterminer la localisation de l'événement d'ionisation à l'intérieur de la molécule au dixième de nanomètre près. Les résultats expérimentaux concordent bien avec les prédictions théoriques qui décrivent la position la plus probable d'un électron au moment de la photoionisation.

Prochain, les chercheurs de l'ETH veulent examiner de plus près des molécules plus grosses, à commencer par le gaz hilarant N2O. L'atome supplémentaire dans cette molécule rend déjà la description théorique un peu plus difficile, mais en même temps les physiciens espèrent obtenir de nouvelles connaissances, par exemple dans la migration dite de charge à l'intérieur des molécules, qui joue un rôle important dans le processus chimique.

En principe, il devrait même être possible d'utiliser des impulsions laser attosecondes non seulement pour étudier ces processus, mais aussi de les orienter délibérément et ainsi de contrôler en détail les réactions chimiques. À l'heure actuelle, cependant, une telle attochimie est encore loin, comme le souligne Jannie Vos :« En théorie, tout cela est très excitant, mais il reste beaucoup à faire avant d'en arriver là."