Simulation informatique de l'interaction électron-lumière. La lumière laser (motif d'onde rouge-bleu) interagit avec la fonction d'onde électronique (sphère allongée) qui passe à proximité. Cette configuration expérimentale unique garantit que l'électron échange de l'énergie avec le laser de manière résonante, ce qui permet d'atteindre les conditions précises de l'effet Cherenkov. Crédit :Dahan et al.
Alors que les chercheurs ont mené d'innombrables études explorant l'interaction entre les ondes lumineuses et les systèmes d'électrons liés, les interactions quantiques entre les électrons libres et la lumière ne sont devenues que récemment un sujet d'intérêt au sein de la communauté des physiciens. L'observation des interactions électron-lumière libre a été facilitée par la découverte d'une technique connue sous le nom de microscopie électronique en champ proche induit par photon (PINEM).
Bien que certaines expériences utilisant les méthodes PINEM aient donné des résultats intéressants, les interactions lumière-électrons libres observées jusqu'à présent sont assez faibles. Ceci est principalement dû au fait que les méthodes PINEM rassemblent des mesures localisées et en champ proche sans traiter le décalage de vitesse entre les électrons libres et la lumière, qui est connu pour limiter la force de leur interaction.
Des chercheurs du Technion-Israel Institute of Technology ont récemment observé une forte interaction entre les ondes d'électrons libres et les ondes lumineuses, à l'aide d'un microscope électronique hybride qu'ils ont développé. Leur observation de l'accord de phase électronique cohérent, qui est aussi un type d'interaction inverse de Cherenkov, démontre comment la nature des fonctions d'onde des électrons peut altérer les interactions électron-lumière.
« Cela a été un long voyage pour moi personnellement, car on peut dire que je poursuis cette expérience depuis 7 ans maintenant, " Ido Kaminer, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "J'ai commencé à travailler sur l'effet Cherenkov il y a 7 ans, à l'époque où j'ai déménagé au MIT pour un post-doctorat. Déjà à cette époque, l'effet Cherenkov a 80 ans d'histoire depuis sa première observation en 1934 (et un prix Nobel en 1958)."
L'effet Tcherenkov, nommé d'après Pavel Alekseevic Cherenkov, le physicien qui l'a observé le premier, est un phénomène qui se produit lorsqu'une particule qui porte une charge électrique traverse un milieu transparent (par exemple, eau ou air), qui peut conduire à l'émission de rayonnement électromagnétique. Si la particule se déplace plus vite que la vitesse de la lumière dans un milieu, son passage à travers le milieu transparent provoque un bref éclair lumineux, lumière surnommée Cherenkov.
Lorsque Kaminer a commencé à étudier l'effet Cherenkov, en 2013, il était considéré comme un effet classique; le travail d'autres physiciens, dont celui de Vitaly Ginzburg et Lev Landau, avait suggéré que la mécanique quantique n'avait aucune conséquence sur ce phénomène. Les résultats théoriques que Kaminer a recueillis au cours des prochaines années étaient donc intrigants et surprenants, car ils ont suggéré que l'effet Cherenkov contient en fait des phénomènes résultant de la nature quantique des particules chargées.
Illustration de l'interaction électron-laser qui crée le peigne d'énergie électronique, dans lequel un seul électron se divise de manière cohérente en un large spectre d'énergies, représenté par les couleurs de l'arc-en-ciel. La lumière laser (rouge) doit être couplée à un angle précis pour que l'interaction forte se produise, résultant en l'électron (illustré par la lumière blanche) absorbant et émettant simultanément des centaines de photons du laser. Par conséquent, l'électron se transforme en un peigne énergétique d'énergies discrètes séparées par des quanta d'énergie photonique (illustrés par l'arc-en-ciel). Crédit :Dahan et al.
« Mes résultats étaient assez controversés au début, mais sur quelques années, d'autres scientifiques ont commencé à trouver des caractéristiques théoriques similaires dans les effets connexes, comme l'effet Smith-Purcell, ", a déclaré Kaminer. "Ces résultats ont accru l'intérêt général pour la construction d'une expérience pour tester ces prédictions théoriques."
Au cours des dernières années, les physiciens ont délimité trois types de phénomènes quantiques qui peuvent théoriquement être observés dans les expériences liées à l'effet Cherenkov. L'étude récente menée par deux étudiants qui font partie du laboratoire de Kaminer au Technion, Raphaël Dahan et Sarre Néhémie, démontre expérimentalement l'un de ces effets pour la première fois. Les deux autres effets doivent encore être confirmés expérimentalement et restent des prédictions théoriques.
"Je pense que c'est assez incroyable de voir les progrès que nous avons réalisés en tant que communauté d'un point de vue historique, " a déclaré Kaminer. " La configuration expérimentale que nous avons construite au Technion pour cette expérience, qui est basé sur un microscope électronique à transmission ultrarapide, était impossible à imaginer à l'époque de Ginzburg et de Landau."
Kaminer et ses étudiants ont mené leurs expériences à l'aide d'un microscope électronique hybride intégrant des impulsions laser fabriquées sur mesure au Technion. Ce type de microscope, ce qui est idéal pour effectuer des expériences de type Cherenkov, est devenu de plus en plus avancé au cours des 10 dernières années, notamment grâce aux travaux d'Ahmed Zewail et d'autres scientifiques de renom dans le monde entier.
Lorsqu'un électron est illuminé, son interaction avec les ondes lumineuses est généralement très faible. La principale raison en est que les électrons et les ondes lumineuses se déplacent à des vitesses totalement différentes (c'est-à-dire, l'électron se déplace toujours plus lentement que la vitesse de la lumière). Ce décalage de vitesse empêche finalement l'interaction entre les électrons et la lumière de devenir plus forte.
Dans leurs expériences, Kaminer et ses élèves ont utilisé un prisme (c'est-à-dire, un objet transparent) pour ralentir les ondes lumineuses à proximité d'un électron. En faisant correspondre précisément l'angle auquel l'électron a été illuminé, ils étaient capables de ralentir la vitesse des ondes lumineuses jusqu'à ce qu'elle corresponde à celle de l'électron. Cette correspondance dans leur vitesse a produit un effet connu sous le nom de correspondance de phase.
Une image au microscope optique du prisme que les chercheurs ont utilisé dans l'expérience. Ce prisme de 0,5 mm a été inséré dans notre microscope électronique à transmission ultrarapide en le fixant d'abord sur une surface de 3 mm (fond plus sombre) avec un trou carré (au centre de l'image). Le processus d'alignement du prisme était extrêmement précis pour garantir que les électrons passant à proximité interagissent de manière résonante avec la lumière dans le prisme. Ces électrons traversent ensuite le trou carré au centre de la surface. Crédit :Dahan et al.
"Notre approche a permis l'observation d'une interaction très forte et d'autres comportements quantiques cohérents d'électrons libres jamais vus auparavant, " expliqua Kaminer. " L'idée de faire correspondre la vitesse de la lumière et la vitesse des particules est exactement l'effet Cherenkov. En d'autres termes, la condition pour l'interaction forte est la même que la condition nécessaire pour l'effet Cherenkov et est aussi ce que les scientifiques dans d'autres domaines appellent l'appariement de phase. Le fait que ces différents concepts puissent être combinés de cette manière est vraiment beau, À mon avis."
La démonstration par les chercheurs de l'accord de phase entre une onde électronique et une onde lumineuse révèle un nouveau type de non-linéarité optique, où les électrons libres relativistes jouent le rôle de solides cristallins lorsqu'ils interagissent avec la lumière. En outre, les expériences de l'équipe ont conduit à la création d'un peigne d'énergie à électrons libres; un système qui présente un grand intérêt pour la recherche en science attoseconde.
La science de l'attoseconde est un domaine de l'optique qui examine spécifiquement les processus qui se produisent en quelques attosecondes (c'est-à-dire, dix -18 secondes), comme l'ionisation des électrons d'un atome ou d'une molécule. Jusque là, la plupart des expériences dans ce domaine ont été menées à l'aide d'impulsions laser attosecondes, mais les découvertes recueillies par Dahan et Nehemia et d'autres étudiants du laboratoire de Kaminer confirment la viabilité d'utiliser également des impulsions électroniques attosecondes.
« D'un point de vue fondamental, notre expérience prouve que la nature d'onde quantique d'un électron libre modifie son rayonnement stimulé, " a déclaré Kaminer. "C'est quelque chose qui a été débattu pendant de nombreuses années et qui fait toujours l'objet d'une enquête approfondie."
L'étude récente ouvre de nouvelles possibilités fascinantes pour l'étude de l'effet Cherenkov d'un point de vue quantique. Dans leurs prochaines études, les chercheurs étudieront plus en détail l'effet qu'ils ont observé, tout en examinant d'autres questions fondamentales qui restent sans réponse.
Par exemple, alors que toutes les expériences précédentes sur l'effet Cherenkov ont rassemblé des observations d'ondes lumineuses en trois dimensions, les théoriciens ont également émis l'hypothèse de l'existence d'un effet Cherenkov à deux dimensions. Dans leurs futures recherches, Kaminer et ses collègues tenteront d'observer expérimentalement ce phénomène unique.
"La nature quantique de la lumière est généralement négligée pour les interactions avec les électrons libres, mais la forte interaction que nous avons obtenue ici peut, espérons-le, changer cela, " a déclaré Kaminer. " De tels effets quantiques permettent également une technologie importante. Nous avons commencé à étudier les accélérateurs d'électrons à l'échelle de la puce dans notre configuration (appelés ACHIP, c'est-à-dire des accélérateurs sur puce). La nature quantique des électrons soulève des questions très intéressantes sur de tels dispositifs et, espérons-le, contribuera à les améliorer. »
© 2020 Réseau Science X
