Les physiciens ont mesuré les temps de vol des électrons émis par un atome spécifique dans une molécule lors d'une excitation avec une lumière laser. Cela leur a permis de mesurer l'influence de la molécule elle-même sur la cinétique d'émission.

La photoémission, c'est-à-dire la libération d'électrons en réponse à une excitation lumineuse, est l'un des processus les plus fondamentaux du microcosme. L'énergie cinétique de l'électron émis est caractéristique de l'atome concerné, et dépend de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Mais combien de temps dure le processus ? Et est-ce que cela prend toujours le même temps, indépendamment du fait que l'électron soit émis par un atome individuel ou par un atome faisant partie d'une molécule ? Une équipe internationale de chercheurs dirigée par des physiciens des lasers du Laboratoire de physique attoseconde (LAP) du LMU Munich et de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) de Garching a maintenant sondé l'influence de la molécule sur le temps de photoémission.

La description théorique de la photoémission en 1905 par Albert Einstein a marqué une percée dans la physique quantique, et les détails du processus sont d'un intérêt continu dans le monde de la science et au-delà. La façon dont les mouvements d'une particule quantique élémentaire telle que l'électron sont affectés dans un environnement moléculaire a une incidence importante sur notre compréhension du processus de photoémission et des forces qui maintiennent les molécules ensemble.

En étroite collaboration avec des chercheurs de l'Université King Saud (KSU) à Riyad (Arabie Saoudite), et d'autres partenaires internationaux, l'équipe du LAP a maintenant déterminé combien de temps il faut aux électrons pour être photo-émis à partir d'un atome spécifique dans une molécule (dans ce cas, l'iode dans l'iodure d'éthyle). Les temps mesurés étaient de l'ordre de quelques dizaines d'attosecondes. Une attoseconde est un milliardième de milliardième de seconde.

Les chercheurs ont utilisé une gamme d'impulsions dans la région des rayons X pour exciter l'électron ciblé. L'utilisation du machine learning a permis d'améliorer la précision de l'analyse des données expérimentales, et a abouti à des comparaisons plus précises avec les prédictions théoriques. "La comparaison des données expérimentales avec des simulations théoriques a finalement révélé l'influence de la molécule sur le temps nécessaire aux électrons pour le processus de photoémission, " explique le professeur Matthias Kling, qui dirige le groupe Imagerie ultrarapide et nanophotonique au sein de l'équipe LAP. Les chercheurs ont découvert que le retard attribuable à l'environnement moléculaire devenait plus important à mesure que l'énergie des impulsions lumineuses – et donc l'énergie cinétique initiale transmise aux électrons – était réduite.

Les observations peuvent être comparées à l'exploration d'un paysage. En le survolant, de nombreux détails sur le terrain restent inaperçus. Au niveau du sol, chaque bosse se fait sentir. Il en est de même pour les électrons excités. Si l'impulsion initiale est juste suffisante pour leur permettre de quitter la molécule, l'effet retardateur des forces qui maintiennent la molécule ensemble est plus important que lorsque le « coup de pied » est suffisamment énergique pour les éjecter plus rapidement.

"Nos observations indiquent que les expériences retraçant le temps de photoémission nous permettent d'en apprendre davantage sur les forces au sein des molécules, " explique le professeur Abdallah Azzeer, Chef du laboratoire de physique attoseconde au KSU à Riyad. "Ces études pourraient améliorer notre compréhension des effets quantiques dans les molécules et les réactions chimiques, " ajoute la professeure Alexandra Landsman de l'Ohio State University aux États-Unis, qui dirige le groupe qui a mené la majorité des travaux théoriques.