Avec le système ultrarapide du Centre de Physique de l'Université de Kiel (Allemagne), le comportement des électrons peut être filmé en direct. Crédit :Jürgen Haacks, CAU
Lors de la conversion de la lumière en électricité, comme dans les cellules solaires, une grande partie de l'énergie lumineuse d'entrée est perdue. Cela est dû au comportement des électrons à l'intérieur des matériaux. Si la lumière frappe un matériau, il stimule énergiquement les électrons pendant une fraction de seconde, avant de renvoyer l'énergie dans l'environnement. En raison de leur durée extrêmement courte de quelques femtosecondes (une femtoseconde équivaut à un quadrillionième de seconde), ces processus n'ont guère été explorés à ce jour. Une équipe de l'Institut de Physique Expérimentale et Appliquée de l'Université de Kiel (CAU), sous la direction du professeur Michael Bauer et du professeur Kai Roßnagel, a maintenant réussi à étudier l'échange d'énergie des électrons avec leur environnement en temps réel, et distinguant ainsi des phases individuelles. Dans leur expérience, ils ont irradié du graphite avec une intense, impulsion lumineuse ultracourte et filmé l'impact sur le comportement des électrons. Une compréhension globale des processus fondamentaux impliqués pourrait être importante à l'avenir pour les applications dans les composants optoélectroniques ultrarapides. L'équipe de recherche a publié ces résultats dans l'édition actuelle de la revue Lettres d'examen physique .
Les propriétés d'un matériau dépendent du comportement des électrons et atomes qui le constituent. Un modèle de base pour décrire le comportement des électrons est le concept du soi-disant gaz de Fermi, du nom du lauréat du prix Nobel Enrico Fermi. Dans ce modèle, les électrons dans le matériau sont considérés comme un système gazeux. De cette façon, il est possible de décrire leurs interactions les unes avec les autres. Afin de suivre le comportement des électrons sur la base de cette description en temps réel, l'équipe de recherche de Kiel a développé une expérience pour des investigations avec une résolution temporelle extrême :si un échantillon de matériau est irradié avec une impulsion lumineuse ultrarapide, les électrons sont stimulés pendant une courte période. Une seconde, une impulsion lumineuse retardée libère certains de ces électrons du solide. Une analyse détaillée de ceux-ci permet de tirer des conclusions sur les propriétés électroniques du matériau après la première stimulation lumineuse. Une caméra spéciale filme comment l'énergie lumineuse introduite est distribuée à travers le système électronique.
Développé à Kiel :l'un des systèmes les plus rapides au monde
Avec ses rayons lumineux ultrarapides, le système de Kiel est l'un des plus rapides et des plus puissants au monde. Crédit :Jürgen Haacks, CAU
La particularité du système de Kiel est sa résolution temporelle extrêmement élevée de 13 femtosecondes. Cela en fait l'une des caméras à électrons les plus rapides au monde. « Grâce à la durée extrêmement courte des impulsions lumineuses utilisées, nous sommes capables de filmer en direct des processus ultrarapides. Nos enquêtes ont montré qu'il se passe une quantité surprenante de choses ici, " a expliqué Michael Bauer, professeur de dynamique ultrarapide au CAU. Il a développé le système, avec le groupe de travail de Kai Roßnagel, professeur de recherche sur l'état solide avec rayonnement synchrotron.
Dans leur expérience actuelle, l'équipe de recherche a irradié un échantillon de graphite avec un court, impulsion lumineuse intense d'une durée de seulement sept femtosecondes. Le graphite se caractérise par une structure électronique simple. Ainsi, des processus fondamentaux peuvent être observés particulièrement clairement. Dans l'expérience, les particules lumineuses impactantes - également appelées photons - ont perturbé l'équilibre thermique des électrons. Cet équilibre décrit une condition dans laquelle une température définissable avec précision règne parmi les électrons. L'équipe de recherche de Kiel a ensuite filmé le comportement des électrons, jusqu'à ce qu'un équilibre soit rétabli après environ 50 femtosecondes.
Des enregistrements sur film montrent pour la première fois comment la distribution d'énergie dans un échantillon de graphite change dans la période ultracourte de 50 femtosecondes. Crédit :Phys. Rév. Lett
De nombreuses interactions dans un délai extrêmement court
Ce faisant, les scientifiques ont observé de nombreux processus d'interaction des électrons excités avec les photons impactants, ainsi que des atomes et autres électrons dans le matériau. Sur la base des images du film, ils pourraient même distinguer différentes phases au sein de cette période ultracourte :tout d'abord, les électrons irradiés ont absorbé l'énergie lumineuse des photons dans le graphite, et la transforma ainsi en énergie électrique. Ensuite, l'énergie a été distribuée à d'autres électrons, avant de le transmettre aux atomes environnants. Dans ce dernier processus, l'énergie électrique est finalement convertie en permanence en chaleur; le graphite se réchauffe.
Les expériences de l'équipe de recherche de Kiel confirment également pour la première fois des prédictions théoriques. Ils permettent d'avoir une nouvelle perspective sur un sujet de recherche qui n'a guère été investigué sur cette courte échelle de temps. "Grâce à nos nouvelles possibilités techniques, ces fondamentaux, des processus complexes peuvent être observés directement pour la première fois, ", a déclaré Bauer. Cette approche pourrait également être appliquée à l'avenir pour étudier et optimiser les mouvements ultrarapides des électrons agités par la lumière dans des matériaux aux propriétés optiques prometteuses.
