Une équipe de physiciens de l'Université de Constance et de la Ludwig-Maximilians-Universität München en Allemagne a atteint une résolution temporelle attoseconde dans un microscope électronique à transmission en le combinant avec un laser à onde continue, offrant de nouvelles perspectives sur les interactions lumière-matière.

Les microscopes électroniques fournissent un aperçu approfondi des moindres détails de la matière et peuvent révéler, par exemple, la configuration atomique des matériaux, la structure des protéines ou la forme des particules virales. Cependant, la plupart des matériaux dans la nature ne sont pas statiques et interagissent plutôt, bouger et remodeler tout le temps. L'interaction entre la lumière et la matière est l'un des phénomènes les plus courants. qui est omniprésent dans les plantes ainsi que dans les composants optiques, cellules solaires, écrans ou lasers. Ces interactions, qui sont définies par les électrons déplacés par les cycles de champ d'une onde lumineuse, se produisent à des échelles de temps ultrarapides de la femtoseconde (10 ^-15 secondes) ou même attosecondes (10 ^-18 secondes, un milliardième de milliardième de seconde). Alors que la microscopie électronique ultrarapide peut donner un aperçu des processus femtosecondes, cela n'a pas été possible, jusqu'à maintenant, pour visualiser la dynamique de réaction de la lumière et de la matière se produisant à des vitesses attosecondes.

Maintenant, une équipe de physiciens de l'Université de Constance et de la Ludwig-Maximilians-Universität München a réussi à combiner un microscope électronique à transmission avec un laser à onde continue pour créer un prototype de microscope électronique attoseconde (A-TEM). Les résultats sont publiés dans le dernier numéro de Avancées scientifiques.

Moduler le faisceau d'électrons

"Phénomènes de base en optique, la nanophotonique ou les métamatériaux se produisent à des instants attosecondes, plus court qu'un cycle de lumière, " explique le professeur Peter Baum, auteur principal de l'étude et chef du groupe de recherche Lumière et matière au Département de physique de l'Université de Constance. "Pour pouvoir visualiser les interactions ultrarapides entre la lumière et la matière, il faut une résolution temporelle inférieure à la période d'oscillation de la lumière." Les microscopes électroniques à transmission conventionnels utilisent un faisceau d'électrons continu pour éclairer un échantillon et créer une image. Pour obtenir une résolution temporelle attoseconde, l'équipe dirigée par Baum utilise les oscillations rapides d'un laser à ondes continues pour moduler dans le temps le faisceau d'électrons à l'intérieur du microscope.

Impulsions électroniques ultra-courtes

La clé de leur approche expérimentale est une fine membrane que les chercheurs utilisent pour briser la symétrie des cycles optiques de l'onde laser. Cela provoque l'accélération et la décélération des électrons en succession rapide. "Par conséquent, le faisceau d'électrons à l'intérieur du microscope électronique est transformé en une série d'impulsions électroniques ultracourtes, plus courte que la moitié d'un cycle optique de la lumière laser, " dit le premier auteur Andrey Ryabov, un chercheur postdoctoral sur l'étude. Une autre onde laser, qui est séparé du premier, est utilisé pour exciter un phénomène optique dans un spécimen d'intérêt. Les impulsions électroniques ultracourtes sondent ensuite l'échantillon et sa réaction à la lumière laser. En balayant le retard optique entre les deux ondes laser, les chercheurs sont alors en mesure d'obtenir des images à résolution attoseconde de la dynamique électromagnétique à l'intérieur de l'échantillon.

Modifications simples, grand impact

"Le principal avantage de notre méthode est que nous pouvons utiliser le faisceau d'électrons continu disponible à l'intérieur du microscope électronique plutôt que d'avoir à modifier la source d'électrons. Cela signifie que nous avons un million de fois plus d'électrons par seconde, essentiellement la pleine luminosité de la source, qui est la clé de toutes les applications pratiques, " poursuit Ryabov. Un autre avantage est que les modifications techniques nécessaires sont assez simples et ne nécessitent pas de modifications du canon à électrons.

Par conséquent, il est désormais possible d'atteindre une résolution attoseconde dans toute une gamme de techniques d'imagerie spatio-temporelle telles que l'holographie résolue en temps, microscopie électronique à forme d'onde ou spectroscopie électronique assistée par laser, entre autres. À long terme, La microscopie électronique attoseconde peut aider à découvrir les origines atomiques des interactions lumière-matière dans des matériaux complexes et des substances biologiques.

L'étude est publiée dans Avancées scientifiques .