La photographie mesure la quantité de lumière de différentes couleurs qui frappe le film photographique. Cependant, la lumière est aussi une onde, et est donc caractérisé par la phase. La phase spécifie la position d'un point dans le cycle d'onde et est corrélée à la profondeur de l'information, ce qui signifie que l'enregistrement de la phase de lumière diffusée par un objet peut récupérer sa forme 3D complète, qui ne peut être obtenu avec une simple photographie. C'est la base de l'holographie optique, popularisé par des hologrammes fantaisistes dans des films de science-fiction comme Star Wars.

Mais le problème est que la résolution spatiale du photo/hologramme est limitée par la longueur d'onde de la lumière, environ ou juste en dessous de 1 m (0,001 mm). C'est bien pour les objets macroscopiques, mais il commence à échouer en entrant dans le domaine de la nanotechnologie.

Aujourd'hui, des chercheurs du laboratoire de Fabrizio Carbone à l'EPFL ont développé une méthode pour voir comment la lumière se comporte à la plus petite échelle, bien au-delà des limites de longueur d'onde. Les chercheurs ont utilisé le support photographique le plus inhabituel :des électrons se propageant librement. Utilisé dans leur microscope électronique ultrarapide, le procédé peut coder des informations quantiques dans un motif lumineux holographique piégé dans une nanostructure, et est basé sur un aspect exotique de l'interaction des électrons et de la lumière.

Les scientifiques ont utilisé la nature quantique de l'interaction électron-lumière pour séparer les faisceaux de référence électronique et d'imagerie électronique en énergie au lieu de l'espace. Cela permet désormais d'utiliser des impulsions lumineuses pour crypter des informations sur la fonction d'onde électronique, qui peut être cartographié par microscopie électronique à transmission ultra-rapide.

La nouvelle méthode peut nous offrir deux avantages importants :informations sur la lumière elle-même, ce qui en fait un outil puissant pour l'imagerie des champs électromagnétiques avec une précision attoseconde et nanométrique dans le temps et dans l'espace. Seconde, la méthode peut être utilisée dans des applications informatiques quantiques pour manipuler les propriétés quantiques des électrons libres.

"L'holographie conventionnelle peut extraire des informations 3D en mesurant la différence de distance parcourue par la lumière à partir de différentes parties de l'objet, " dit Carbone. " Mais cela nécessite un faisceau de référence supplémentaire provenant d'une direction différente pour mesurer l'interférence entre les deux. Le concept est le même avec les électrons, mais nous pouvons maintenant obtenir une résolution spatiale plus élevée en raison de leur longueur d'onde beaucoup plus courte. Par exemple, nous avons pu enregistrer des films holographiques d'objets se déplaçant rapidement en utilisant des impulsions d'électrons ultracourtes pour former les hologrammes."

Au-delà des calculs quantiques, la technique a la résolution spatiale la plus élevée par rapport aux alternatives, et pourrait changer notre façon de penser la lumière dans la vie de tous les jours. "Jusque là, la science et la technologie se sont limitées à propager librement des photons, utilisé dans les dispositifs optiques macroscopiques, " dit Carbone. " Notre nouvelle technique nous permet de voir ce qui se passe avec la lumière à l'échelle nanométrique, la première étape pour la miniaturisation et l'intégration de dispositifs légers sur des circuits intégrés."