Physiciens de l'Université de Constance, Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU Munich) et l'Université de Ratisbonne ont démontré avec succès que les impulsions électroniques ultracourtes subissent un déphasage mécanique quantique par leur interaction avec les ondes lumineuses dans les matériaux nanophotoniques, qui peut découvrir la fonctionnalité des nanomatériaux. Les expériences et les résultats correspondants sont rapportés dans le dernier numéro de Avancées scientifiques.

Matériaux nanophotoniques et métamatériaux

De nombreux matériaux présents dans la nature peuvent influencer les ondes électromagnétiques telles que la lumière de différentes manières. Cependant, générer de nouveaux effets optiques dans le but de développer des cellules solaires particulièrement efficaces, les dispositifs d'occultation ou les catalyseurs nécessitent souvent des structures artificielles, dits métamatériaux. Ces matériaux atteignent leurs propriétés extraordinaires grâce à une structuration sophistiquée à l'échelle nanométrique, c'est-à-dire à travers un arrangement en forme de grille des plus petits blocs de construction sur des échelles de longueur bien inférieures à la longueur d'onde de l'excitation.

La caractérisation et le développement de ces métamatériaux nécessitent une compréhension approfondie du comportement des ondes lumineuses incidentes lorsqu'elles frappent ces minuscules structures et de la manière dont elles interagissent avec elles. Par conséquent, les nanostructures excitées optiquement et leurs champs électromagnétiques proches doivent être mesurés à des résolutions spatiales de l'ordre du nanomètre (~10 ^-9 m) et, à la fois, à des résolutions temporelles inférieures à la durée du cycle d'excitation (~10 ^-15 s). Cependant, ceci ne peut pas être réalisé avec la microscopie optique conventionnelle seule.

Diffraction électronique ultrarapide de nanostructures excitées optiquement

Contrairement à la lumière, les électrons ont une masse au repos et offrent donc 100, 000 fois meilleure résolution spatiale que les photons. En outre, les électrons peuvent être utilisés pour sonder les champs électromagnétiques et les potentiels dus à leurs charges. Une équipe dirigée par le professeur Peter Baum (Université de Constance) a maintenant réussi à appliquer des impulsions électroniques extrêmement courtes pour réaliser une telle mesure. À cette fin, la durée des impulsions électroniques a été compressée dans le temps au moyen d'un rayonnement térahertz à un point tel que les chercheurs ont pu résoudre en détail les oscillations optiques des champs électromagnétiques proches au niveau des nanostructures.

Hautes résolutions spatiales et temporelles

« Le défi de cette expérience est de s'assurer que la résolution est suffisamment élevée à la fois dans l'espace et dans le temps. Pour éviter les effets de charge d'espace, nous n'utilisons que des électrons uniques par impulsion et accélérons ces électrons à des énergies de 75 kiloélectronvolts, " explique le professeur Peter Baum, dernier auteur de l'étude et responsable du groupe de travail sur la lumière et la matière au Département de physique de l'Université de Constance. Lorsqu'elles sont diffusées par les nanostructures, ces impulsions électroniques extrêmement courtes interfèrent avec elles-mêmes en raison de leurs propriétés mécaniques quantiques et génèrent une image de diffraction de l'échantillon.

Interaction avec les champs et potentiels électromagnétiques

L'étude des nanostructures excitées optiquement est basée sur le principe connu des expériences pompe-sonde. Après l'excitation optique des champs proches, l'impulsion électronique ultracourte arrive à un instant défini et mesure les champs gelés dans le temps dans l'espace et dans le temps. "Selon les prédictions d'Aharonov et de Bohm, les électrons subissent un déphasage quantique de leur fonction d'onde lorsqu'ils traversent des potentiels électromagnétiques, " explique Kathrin Mohler, doctorant au LMU Munich et premier auteur de l'étude. Ces déphasages induits optiquement renseignent sur la dynamique ultrarapide de la lumière au niveau des nanostructures, fournissant finalement une séquence d'images semblable à un film qui révèle l'interaction de la lumière avec les nanostructures.

Un nouveau régime d'application pour l'holographie et la diffraction électroniques

Ces expériences illustrent comment l'holographie et la diffraction électroniques peuvent être exploitées à l'avenir pour améliorer notre compréhension des interactions lumière-matière fondamentales sous-jacentes aux matériaux et métamatériaux nanophotoniques. À long terme, cela peut même conduire au développement et à l'optimisation d'optiques compactes, de nouvelles cellules solaires ou des catalyseurs efficaces.