Les réactions chimiques sont déterminées à leur niveau le plus fondamental par leur structure électronique et leur dynamique respectives. Dirigé par un stimulus tel qu'une irradiation lumineuse, les électrons se réarrangent dans les liquides ou les solides. Ce processus ne prend que quelques centaines d'attosecondes, où une attoseconde est le milliardième partie d'un milliardième de seconde. Les électrons sont sensibles aux champs externes, les chercheurs peuvent donc facilement les contrôler en irradiant les électrons avec des impulsions lumineuses. Dès qu'ils façonnent ainsi temporellement le champ électrique d'une impulsion attoseconde, les chercheurs peuvent contrôler la dynamique électronique en temps réel. Une équipe dirigée par le professeur Giuseppe Sansone de l'Institut de physique de l'Université de Fribourg montre dans la revue scientifique Nature comment ils ont pu façonner complètement la forme d'onde d'une impulsion attoseconde.

"Ces impulsions nous permettent d'étudier le premier instant de la réponse électronique dans une molécule ou un cristal, " explique Sansone. " La capacité de façonner le champ électrique nous permet de contrôler les mouvements électroniques, dans le but à long terme d'optimiser les processus de base tels que la photosynthèse ou la séparation des charges dans les matériaux. "

L'équipe, composé de théoriciens et de physiciens expérimentateurs d'instituts de recherche aux États-Unis, Russie, Allemagne, Italie, L'Autriche, Slovénie, Hongrie, Japon et Suède, ont réalisé leur expérience au laser à électrons libres (FEL) FERMI à Trieste/Italie. Ce laser est le seul qui offre la capacité unique de synthétiser un rayonnement avec différentes longueurs d'onde dans la gamme spectrale ultraviolette extrême avec des phases relatives entièrement contrôlables.

L'impulsion attoseconde résulte du chevauchement temporel des harmoniques laser. Les scientifiques ont généré des groupes de quatre harmoniques laser d'une longueur d'onde fondamentale à l'aide des onduleurs disponibles au FERMI. Ce sont des appareils techniques, qui dirigent le mouvement d'un paquet d'électrons relativiste, conduisant ainsi à la production de rayonnement ultraviolet. L'un des principaux défis de l'expérimentation était la mesure de ces phases relatives, caractérisés par l'acquisition des photoélectrons libérés par les atomes de néon par la combinaison des impulsions attosecondes et d'un champ infrarouge. Cela conduit à des structures supplémentaires dans les spectres électroniques, généralement appelés bandes latérales. Les scientifiques ont mesuré la corrélation entre les différentes bandes latérales générées pour chaque tir laser. Cela leur a finalement permis de caractériser complètement le train d'impulsions attosecondes.

"Nos résultats indiquent non seulement que les FEL peuvent produire des impulsions attosecondes, " dit Sansone, "mais, en raison de l'approche mise en œuvre pour la génération de la forme d'onde, de telles impulsions sont entièrement contrôlables et atteignent des intensités de crête élevées. Ces deux aspects représentent des avantages clés de notre approche. Les résultats influenceront également la planification et la conception de nouveaux lasers à électrons libres dans le monde. »