Les microscopes de lumière visible permettent aux scientifiques de voir de minuscules objets tels des cellules vivantes. Encore, ils ne peuvent pas discerner comment les électrons sont distribués parmi les atomes dans les solides. Maintenant, des chercheurs avec le professeur Eleftherios Goulielmakis des Extreme Photonics Labs de l'Université de Rostock et du Max Planck Institute of Quantum Optics à Garching, Allemagne, avec des collègues de l'Institut de physique de l'Académie chinoise des sciences à Pékin, ont développé un nouveau type de microscope optique, appelé le Picoscope, qui surmonte cette limitation.

Les chercheurs ont utilisé de puissants flashs laser pour irradier des films minces de matériaux cristallins. Ces impulsions laser ont entraîné des électrons cristallins dans un mouvement ondulant rapide. Lorsque les électrons rebondissent sur les électrons environnants, ils ont émis un rayonnement dans la partie ultraviolette extrême du spectre. En analysant les propriétés de ce rayonnement, les chercheurs ont composé des images qui illustrent la répartition du nuage d'électrons entre les atomes du réseau cristallin des solides avec une résolution de quelques dizaines de picomètres, qui sont des milliardièmes de millimètre. Les expériences ouvrent la voie à une nouvelle classe de microscopes à laser qui pourraient permettre aux physiciens, chimistes, et les scientifiques des matériaux à scruter les détails du microcosme avec une résolution sans précédent et à comprendre et éventuellement contrôler les propriétés chimiques et électroniques des matériaux.

Depuis des décennies, les scientifiques ont utilisé des éclairs de lumière laser pour comprendre le fonctionnement interne du microcosme. De tels flashs laser peuvent désormais suivre des processus microscopiques ultrarapides à l'intérieur des solides. Toujours, ils ne peuvent pas résoudre spatialement les électrons, c'est à dire., voir comment les électrons occupent l'espace infime parmi les atomes dans les cristaux, ou comment ils forment les liaisons chimiques qui maintiennent les atomes ensemble. Ernst Abbe a découvert la raison il y a plus d'un siècle. La lumière visible ne peut discerner que des objets de taille comparable à sa longueur d'onde, qui est d'environ quelques centaines de nanomètres. Mais pour voir les électrons, les microscopes doivent augmenter leur puissance de grossissement de quelques milliers de fois.

Pour surmonter cette limite, Goulielmakis et ses collègues ont pris un chemin différent. Ils ont développé un microscope qui fonctionne avec de puissantes impulsions laser. Ils ont surnommé leur appareil un Light Picoscope. "Une puissante impulsion laser peut forcer les électrons à l'intérieur des matériaux cristallins à devenir les photographes de l'espace qui les entoure, " dit Harshit Lakhotia, un chercheur du groupe.

Lorsque l'impulsion laser pénètre à l'intérieur du cristal, il peut saisir un électron et l'entraîner dans un mouvement ondulant rapide. "Lorsque l'électron se déplace, il sent l'espace autour de lui, tout comme votre voiture ressent la surface inégale d'une route cahoteuse, " a déclaré Lakhotia. Lorsque les électrons entraînés par laser traversent une bosse faite par d'autres électrons ou atomes, il décélère et émet un rayonnement à une fréquence bien supérieure à celle des lasers. "En enregistrant et en analysant les propriétés de ce rayonnement, on peut en déduire la forme de ces minuscules bosses, et nous pouvons dessiner des images qui montrent où la densité électronique dans le cristal est élevée ou faible, " a déclaré Hee-Yong Kim, doctorant dans les Extreme Photonics Labs. "La picoscopie laser combine la capacité de scruter la masse des matériaux, comme les rayons X, et celui de sonder les électrons de valence. Ce dernier est possible en scannant des microscopes à effet tunnel mais uniquement sur des surfaces."

Sheng Meng, de l'Institut de physique, Pékin, et un physicien théoricien du solide dans l'équipe de recherche, mentionné, "Avec un microscope capable de sonder, la densité électronique de valence, nous pourrions bientôt être en mesure de comparer les performances des outils informatiques de physique du solide. Nous pouvons optimiser moderne, des modèles de pointe pour prédire les propriétés des matériaux avec des détails toujours plus fins. C'est un aspect passionnant que la picoscopie laser apporte."

Maintenant, les chercheurs travaillent à développer davantage la technique. Ils prévoient de sonder les électrons en trois dimensions et de comparer davantage la méthode avec une large gamme de matériaux, notamment des matériaux 2D et topologiques. « Parce que la picoscopie laser peut être facilement combinée avec des techniques laser à résolution temporelle, il deviendra peut-être bientôt possible d'enregistrer de vrais films d'électrons dans les matériaux. C'est un objectif recherché depuis longtemps dans les sciences ultrarapides et les microscopies de la matière, ", a déclaré Goulielmakis.