(a) Schéma de principe de la génération de rayonnement synchrotron par des onduleurs. Les largeurs temporelles des impulsions de rayonnement sont déterminées par l'élargissement spatial des paquets d'électrons. (b) L'impulsion de rayonnement contient de nombreuses ondes courtes (paquets d'ondes) émises par des électrons individuels. Dans la présente étude, deux onduleurs sont disposés en série pour générer des paires de paquets d'ondes. Chaque paquet d'ondes n'oscille que 10 fois en 2 femtosecondes. Les intervalles de temps des paires de paquets d'ondes sont ajustés en détournant les paquets d'électrons avec un aimant entre les deux onduleurs. Crédit :NINS/IMS
Des scientifiques japonais ont observé et perturbé le mouvement ultrarapide du mouvement des électrons à l'intérieur d'un atome de xénon en utilisant les paires cohérentes d'ondes lumineuses courtes dans le rayonnement synchrotron. Xénon, constitué d'un noyau entouré de cinq couches imbriquées contenant un total de 54 électrons, est utilisé dans les lampes flash, et il brûle brillant et rapide. Les électrons luminescents s'y déplacent sur une échelle de temps d'un milliardième de seconde. Le mouvement rapide des électrons est cependant six ordres de grandeur plus lent que celui observé par les scientifiques. En utilisant l'installation synchrotron de l'Institute for Molecular Science, ils ont suivi le mouvement des électrons dans la relaxation pour libérer de l'énergie en passant d'une enveloppe externe à une enveloppe interne. Le processus se déroule à une échelle de temps de quelques femtosecondes, ou un millionième de milliardième de seconde. Une femtoseconde est à une seconde comme une seconde est à près de 32 millions d'années. La capacité d'observer et de contrôler de tels processus ultrarapides pourrait ouvrir la porte à des expériences et des applications de nouvelle génération, selon les chercheurs.
Les résultats ont été publiés le 17 mars dans Lettres d'examen physique .
"Contrôler et sonder le mouvement électronique des atomes et des molécules sur leur échelle de temps naturelle d'attosecondes - qui sont un millième de femtoseconde - est l'une des frontières de la physique atomique et de la physique attoseconde, " a déclaré l'auteur de l'article Tatsuo Kaneyasu, chercheur à la source lumineuse SAGA, Centre de recherche sur la lumière synchrotron de Kyushu au Japon. "Dans cette étude, nous avons démontré que les processus ultracourts dans les atomes et les molécules peuvent être suivis en utilisant la propriété ultracourte du paquet d'ondes de rayonnement."
Les progrès récents de la technologie laser nous permettent de produire ultrarapidement, ou ultracourt, doubles impulsions lumineuses pouvant interagir avec les processus subatomiques. Cette interférence peut être contrôlée en réglant avec précision le temps entre chaque impulsion. L'impulsion excite des électrons, dont le mouvement est appelé paquet d'ondes électroniques. Kaneyasu et son équipe ont réalisé cette technologie en utilisant le rayonnement synchrotron qui présente un grand avantage en générant des photons d'énergie plus élevée que ceux des lasers.
Le panneau supérieur montre l'intensité de fluorescence des états excités de la coque interne des atomes de xénon mesurée avec des intervalles de temps changeants des paires de paquets d'ondes. Les panneaux inférieurs montrent des vues agrandies aux positions a et b dans le panneau supérieur. Des fluctuations d'une période de 63 attosecondes sont observées en raison de l'effet d'interférence entre les états quantiques excités par les paires de paquets d'ondes. Au fur et à mesure que l'intervalle de temps entre les deux paquets d'ondes d'une paire augmente, l'amplitude de la fluctuation diminue en raison de la relaxation électronique des états excités de l'enveloppe interne. Crédit :NINS/IMS
"Cette méthode, appelé 'interférométrie par paquets d'ondes, " est désormais un outil fondamental pour étudier et manipuler la dynamique quantique de la matière, " a déclaré Kaneyasu. " Dans cette étude, le paquet d'ondes électroniques a été produit en superposant certains états électroniques dans un atome de xénon."
Tout comme deux faisceaux qui se chevauchent produisant une lumière plus intense que l'un ou l'autre individuellement, deux paquets d'ondes électroniques qui se chevauchent produisent des effets quantiques.
"Le but ultime est de contrôler et de sonder le mouvement électronique ultrarapide d'un large éventail d'éléments, non seulement dans les atomes et molécules en phase gazeuse, mais aussi dans les matières condensées, " a déclaré Kaneyasu. " Cette nouvelle capacité de rayonnement synchrotron aide non seulement les scientifiques à étudier les phénomènes ultrarapides dans les processus atomiques et moléculaires, mais peut également ouvrir de nouvelles applications dans le développement de matériaux fonctionnels et d'appareils électroniques à l'avenir."
