La création de photoélectrons par ionisation est l'un des processus les plus fondamentaux dans l'interaction entre la lumière et la matière. Encore, de profondes questions subsistent quant à la manière dont les photons transfèrent leur impulsion linéaire aux électrons. Avec la première étude sub-femtoseconde du transfert de quantité de mouvement linéaire des photons au cours d'un processus d'ionisation, Les physiciens de l'ETH fournissent désormais un aperçu sans précédent de la naissance des photoélectrons.

L'interaction entre la lumière et la matière est à la base à la fois de nombreux phénomènes fondamentaux et de diverses technologies pratiques. Le plus célèbre, dans l'effet photoélectrique, les électrons sont émis par un matériau qui est exposé à une lumière d'énergie appropriée. L'origine du phénomène est longtemps restée une énigme, et ce n'est qu'avec l'avènement de la théorie quantique - et grâce au génie d'Albert Einstein - que l'effet a été pleinement compris. Einstein a reçu le prix Nobel de physique 1921 pour sa découverte des lois sous-jacentes, et depuis lors, l'effet a été exploité dans des applications allant de la spectroscopie aux appareils de vision nocturne. Dans certains cas importants, le principe clé est le transfert non pas d'énergie mais de quantité de mouvement linéaire - ou, impulsion - des photons aux électrons. C'est le cas, par exemple, lorsque la lumière laser est utilisée pour refroidir des objets microscopiques et macroscopiques, ou pour comprendre le phénomène de la pression de rayonnement.

Malgré l'importance fondamentale du transfert de quantité de mouvement, les détails précis de la façon dont la lumière transmet son impulsion à la matière ne sont toujours pas entièrement compris. L'une des raisons est que l'impulsion transférée change au cours d'un cycle optique extrêmement rapide, échelles de temps inférieures à la femtoseconde. Jusque là, les études ont révélé principalement des informations sur le comportement moyen dans le temps, aspects dépendants du temps manquants du transfert de quantité de mouvement linéaire pendant la photoionisation. Cette lacune est désormais comblée par le groupe d'Ursula Keller de l'Institute for Quantum Electronics, comme ils le rapportent dans un article publié aujourd'hui dans Communication Nature .

Ils ont examiné le cas des intensités laser élevées, où plusieurs photons sont impliqués dans le processus d'ionisation, et étudié la quantité de quantité de mouvement transférée dans la direction de propagation du laser. Pour obtenir une résolution temporelle suffisante, ils ont utilisé la technique dite attoclock, qui a été développé et affiné dans le laboratoire Keller au cours de la dernière décennie. Dans cette méthode, la résolution temporelle attoseconde est obtenue sans avoir à produire des impulsions laser attosecondes. Au lieu, des informations sur le vecteur de champ laser rotatif dans une lumière polarisée proche de la circulaire sont utilisées pour mesurer le temps par rapport à l'événement d'ionisation avec une précision à l'attoseconde. Très similaire à l'aiguille d'une horloge - en ce moment, cette aiguille d'horloge tourne sur un cercle complet dans un cycle optique d'une durée de 11,3 fs.

Avec cet outil polyvalent à portée de main, les physiciens de l'ETH ont pu déterminer combien d'électrons de quantité de mouvement linéaire ont gagné en fonction du moment où les photoélectrons sont «nés». Ils ont constaté que la quantité de quantité de mouvement transférée dans la direction de propagation du laser dépend en effet du moment où, pendant le cycle d'oscillation du laser, l'électron est «libéré» de la matière, dans leur cas des atomes de xénon. Cela signifie qu'au moins pour le scénario qu'ils ont exploré, l'image de la pression de rayonnement moyenne dans le temps n'est pas applicable. Curieusement, ils peuvent reproduire presque entièrement le comportement observé dans un modèle classique, alors que de nombreux scénarios d'interaction lumière-matière, comme la diffusion Compton, ne peut être expliqué que dans un modèle de mécanique quantique.

Le modèle classique a dû être étendu cependant, pour tenir compte de l'interaction entre le photoélectron sortant et l'ion xénon résiduel. Cette interaction, ils montrent dans leurs expériences, induit un retard attoseconde supplémentaire dans la synchronisation du transfert de quantité de mouvement linéaire par rapport à la prédiction théorique pour un électron libre né pendant l'impulsion. Que de tels retards soient une propriété générale de la photoionisation ou s'ils s'appliquent uniquement au type de scénarios étudiés dans la présente étude reste ouvert pour le moment. Ce qui est clair, cependant, est qu'avec cette première étude du transfert de quantité de mouvement linéaire lors de l'ionisation sur l'échelle de temps naturelle du processus, le groupe Keller a ouvert une nouvelle voie passionnante pour explorer la nature très fondamentale des interactions lumière-matière, réalisant ainsi une promesse centrale de la science attoseconde.