Une équipe dirigée par le Prof. Dr. Frank Stienkemeier et le Dr. Lukas Bruder de l'Institut de Physique de l'Université de Fribourg a réussi à observer en temps réel les interférences quantiques ultrarapides - en d'autres termes les modèles d'oscillation - des électrons qui se trouvent dans les coquilles atomiques des atomes de gaz rares. Ils ont réussi à observer des oscillations avec une période d'environ 150 attosecondes - une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde. À cette fin, les scientifiques ont excité des atomes de gaz rares avec des impulsions laser spécialement préparées. Ensuite, ils ont suivi la réponse des atomes avec une nouvelle technique de mesure qui leur a permis d'étudier les effets de la mécanique quantique dans les atomes et les molécules à une résolution temporelle extrêmement élevée. Les chercheurs présentent leurs résultats dans la dernière édition de Communication Nature .

Nombreuses réactions chimiques, comme la rupture des liaisons dans les molécules, sont déclenchés par l'absorption de la lumière. Dans le premier instant après l'absorption, la répartition des électrons dans la couche atomique change, influençant considérablement le déroulement ultérieur de la réaction. Cette altération se produit extrêmement rapidement; les échelles de temps atteignent l'attoseconde. Technologies spectroscopiques déjà utilisées, qui utilisent des impulsions laser visibles, ne sont pas assez rapides pour suivre de tels processus. C'est pourquoi les chercheurs du monde entier développent actuellement des sources laser innovantes et des technologies spectroscopiques adéquates dans les domaines de l'ultraviolet et des rayons X.

L'équipe de Stienkemeier a étendu une technologie connue du spectre visible, spectroscopie pompe-sonde cohérente, dans la gamme des ultra-violets. C'est la gamme spectrale entre le rayonnement X et la lumière ultraviolette. Pour faire ça, les scientifiques ont préparé une séquence de deux impulsions laser ultra-courtes dans l'extrême ultraviolet au laser à électrons libres FERMI à Trieste, Italie. Les impulsions étaient séparées par un intervalle de temps défini avec précision et avaient une relation de phase définie avec précision les unes par rapport aux autres. La première impulsion démarre le processus dans la couche électronique (processus de pompage). La deuxième impulsion sonde l'état de la couche électronique à un moment ultérieur (processus de sonde). En modifiant l'intervalle de temps et la relation de phase, les chercheurs ont pu tirer des conclusions sur le développement temporel de la couche électronique. "Le plus grand défi était d'obtenir un contrôle précis des propriétés des impulsions et d'isoler les signaux faibles, " explique Andreas Wituschek, qui était en charge de la procédure expérimentale.

Les physiciens fribourgeois ont étudié le gaz rare argon, entre autres. Dans l'argon, l'impulsion de pompe provoque une configuration spéciale de deux électrons à l'intérieur de la couche atomique :cette configuration se désintègre, avec un électron quittant l'atome en très peu de temps et l'atome restant finalement sous forme d'ion. Les chercheurs ont réussi pour la première fois à observer la décroissance temporelle immédiate de l'interférence quantique, comme un électron quittait l'atome. "Cette expérience ouvre la voie à de nombreuses nouvelles applications dans l'étude des processus atomiques et moléculaires après stimulation sélective par un rayonnement de haute énergie dans l'extrême ultraviolet, " dit Bruder.