Il y a près d'un siècle, Albert Einstein a reçu le prix Nobel de physique pour son explication de l'effet photoélectrique. Publié en 1905, La théorie d'Einstein incorporait l'idée que la lumière est composée de particules appelées photons. Quand la lumière frappe la matière, les électrons de l'échantillon répondent à l'apport d'énergie, et l'interaction donne lieu à ce que l'on appelle l'effet photoélectrique. Les quanta de lumière (photons) sont absorbés par le matériau et excitent les électrons liés. Selon la longueur d'onde de la source lumineuse, cela peut entraîner l'éjection d'électrons. La structure de bande électronique du matériau impliqué a un effet significatif sur les échelles de temps de photoémission. Des physiciens basés à l'Université Ludwig-Maximilian (LMU) de Munich et à l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) se sont maintenant penchés de plus près sur le phénomène de la photoémission. Ils ont mesuré l'influence de la structure de bande du tungstène sur la dynamique d'émission de photoélectrons, et fournir des interprétations théoriques de leurs observations.

C'est désormais possible grâce au développement et au raffinement continu de la technologie attoseconde. Une "attoseconde" correspond à 10 ^-18 d'une seconde, c'est-à-dire un milliardième de milliardième de seconde. La capacité de générer de manière reproductible des trains d'impulsions de lumière laser qui durent quelques centaines d'attosecondes permet aux chercheurs de suivre le cours de la photoémission en "gelant l'action" à intervalles réguliers - de la même manière qu'un stroboscope, mais avec une bien meilleure résolution temporelle.

Dans une série d'expériences de spectroscopie photoélectronique, l'équipe a utilisé des impulsions attosecondes de lumière ultraviolette extrême pour sonder la dynamique de la photoémission d'un cristal de tungstène. Chaque impulsion contenait quelques centaines de photons de rayons X, chacun suffisamment énergétique pour déloger un photoélectron. A l'aide de détecteurs montés devant le cristal, l'équipe a pu caractériser les électrons éjectés en termes de temps de vol et d'angles d'émission.

Les résultats ont révélé que les électrons qui interagissent avec les photons entrants mettent un peu de temps à réagir à de telles rencontres. Cette découverte a été rendue possible par l'adoption d'une nouvelle approche pour la génération d'impulsions attosecondes. Grâce à l'introduction d'un résonateur à cavité passive avec un facteur d'amélioration de 35, la nouvelle configuration peut désormais produire des impulsions attosecondes à un taux de 18,4 millions par seconde, environ 1000 fois plus élevé que celui précédemment commun dans des systèmes comparables. Parce que le taux de répétition des impulsions est si élevé, seuls très peu de photoélectrons par impulsion sont suffisants pour fournir un flux moyen élevé.

"Comme les photoélectrons chargés négativement se repoussent, leurs énergies cinétiques sont sujettes à des changements rapides. Afin de caractériser leur dynamique, il est donc important de les répartir sur un maximum d'impulsions attosecondes, " comme l'explique le premier auteur conjoint, le Dr Tobias Saule. L'augmentation de la fréquence du pouls signifie que les particules ont peu d'opportunités d'interagir les unes avec les autres car elles sont bien réparties dans le temps et dans l'espace, de sorte que la résolution énergétique maximale est largement conservée. De cette façon, l'équipe a pu montrer qu'en termes de cinétique de photoémission, les électrons dans les états d'énergie voisins dans la bande de valence (c'est-à-dire les orbites les plus externes des atomes dans le cristal), qui ont des moments angulaires différents diffèrent également de quelques dizaines d'attosecondes dans le temps qu'ils mettent pour répondre aux photons entrants.

Notamment, la disposition des atomes à l'intérieur du cristal lui-même a une influence mesurable sur le délai entre l'arrivée de l'impulsion lumineuse et l'éjection des photoélectrons. "Un cristal est composé de multitudes d'atomes, dont tous les noyaux sont chargés positivement. Chaque noyau est la source d'un potentiel électrique, qui attire les électrons chargés négativement - de la même manière qu'un trou rond agit comme un puits de potentiel pour les billes, " dit le Dr Stephan Heinrich, également co-premier auteur du rapport. "Quand un électron est délogé d'un cristal, ce qui se passe est un peu comme la progression d'une bille sur une table creusée de creux.

Ces indentations représentent les positions des atomes individuels dans le cristal, et ils sont régulièrement organisés. La trajectoire du marbre est directement affectée par leur présence, et il diffère de ce qui serait observé sur une surface lisse, " il fait remarquer. " Nous avons maintenant démontré comment un tel potentiel périodique dans un cristal affecte le comportement temporel de la photoémission - et nous pouvons théoriquement l'expliquer, " explique Stephan Heinrich. Les retards observés peuvent être attribués à la nature complexe du transport des électrons de l'intérieur vers la surface du cristal, et à l'impact de la diffusion des électrons et des effets de corrélation que cela entraîne.

"Les informations fournies par notre étude ouvrent la possibilité d'enquêtes expérimentales sur les interactions complexes qui ont lieu dans les systèmes multi-électrons dans la matière condensée à une échelle de temps attoseconde. Cela nous permettra à son tour de les comprendre théoriquement, " dit LMU-Prof. Ulf Kleineberg, qui a mené le projet.

A plus long terme, les nouvelles découvertes pourraient également conduire à de nouveaux matériaux dotés de propriétés électroniques qui améliorent les interactions lumière-matière, ce qui rendrait les cellules solaires plus efficaces, et améliorer les taux de commutation des composants nano-optiques pour le traitement de données ultrarapide et promouvoir le développement de nanosystèmes à utiliser dans les sciences biomédicales.