Les résultats d'une expérience russo-japonaise expliquent le mécanisme de la photoémission d'électrons par des nanostructures métalliques sous excitation laser ultrarapide. Les ensembles de nanoparticules métalliques sont capables d'émettre de courts paquets d'électrons lorsqu'ils sont irradiés par de puissantes impulsions laser de femtoseconde (1 fs =10 -15 s) durée. Les scientifiques de l'Université Lobatchevsky étudient depuis longtemps l'effet plasmon - l'excitation par la lumière des oscillations électroniques collectives dans les nanoparticules et l'amplification du champ lumineux associé à ces oscillations au voisinage de la nanoparticule, qui joue le rôle principal dans ce processus. C'est l'amplification plasmonique du champ qui fournit une photoémission efficace d'électrons à partir d'un métal.
Les perspectives d'application pratique des nanostructures plasmoniques sont associées à leur utilisation comme photocathodes ultrarapides pour créer des sources pulsées de rayonnement X cohérent de haute luminosité et pour produire des microscopes à haute résolution temporelle.
La photoémission d'électrons à partir de nanoparticules métalliques s'accompagne de l'émission d'un rayonnement térahertz (son domaine dans l'échelle des ondes électromagnétiques se situe entre la lumière et les micro-ondes), ce qui permet d'utiliser ce rayonnement comme outil d'étude de la photoémission.
"L'intensité du rayonnement térahertz dépend de manière non linéaire de l'intensité de l'impulsion laser et démontre un ordre de non-linéarité élevé (de 3 à 6 dans diverses expériences). Bien que le mécanisme de génération de rayonnement térahertz par les photoélectrons ne soit pas entièrement compris, on pense que l'ordre élevé de non-linéarité s'explique par la nature multiphotonique de l'émission d'électrons, C'est, par la nécessité de transférer l'énergie de plusieurs photons laser à l'électron pour effectuer le travail de libération de l'électron du métal, " explique Michael Bakounov, Chef du département de physique générale de l'Université Lobatchevsky.
Pour tester l'hypothèse d'un mécanisme de photoémission multiphotonique, scientifiques de l'Université Lobatchevsky avec leurs collègues japonais de l'Université de Shinshu, L'Université d'Osaka et l'Institut de technologie de Tokyo ont mené une expérience dans laquelle la même nanostructure métallique, un réseau de nanotiges d'or (« nanoforest d'or ») a été irradié avec de puissantes impulsions lumineuses ultracourtes de différentes longueurs d'onde, de 600 nm à 1 500 nm.
Le résultat était surprenant. Malgré le fait que l'énergie des quanta diffère de plus du double, l'ordre de non-linéarité était approximativement le même (4,5-4,8) pour les longueurs d'onde de 720 à 1500 nm et encore plus grand (6,6) pour une longueur d'onde de 600 nm (avec l'énergie quantique la plus élevée).
"Ces résultats réfutent l'hypothèse d'une émission multiphotonique d'électrons. En même temps, les dépendances expérimentales sont en bon accord avec le mécanisme d'émission tunnel, grâce à quoi les électrons sont amenés à s'échapper du métal par un champ lumineux amélioré par plasmon, " conclut Michael Bakounov.
Les résultats des recherches des scientifiques russes et japonais ont été publiés dans l'une des principales revues scientifiques, Rapports scientifiques
