L'absorption d'énergie de la lumière laser par des électrons libres dans un liquide a été démontrée pour la première fois. Jusqu'à maintenant, ce processus n'a été observé qu'en phase gazeuse. Les résultats, dirigé par l'Université de technologie de Graz, ouvrir de nouvelles portes à la microscopie électronique ultra-rapide.

L'étude et le développement de matériaux dépendent de manière cruciale de la capacité à observer les objets les plus petits aux échelles de temps les plus rapides. La résolution spatiale nécessaire pour les investigations dans le domaine (sub-)atomique peut être obtenue avec la microscopie électronique. Pour les processus les plus rapides, cependant, en quelques femtosecondes (quadrillionièmes de seconde), la résolution temporelle des microscopes électroniques conventionnels est insuffisante. Pour améliorer la durée des impulsions électroniques, les électrons devraient être sélectionnés dans une fenêtre de temps plus courte - par analogie à un obturateur de caméra, qui contrôle le temps d'exposition en photographie.

En principe, cette sélection temporelle est possible avec des impulsions laser extrêmement courtes grâce à un processus appelé diffusion d'électrons assistée par laser (LAES). Dans ce processus, les électrons peuvent absorber l'énergie du champ lumineux lors de collisions avec les atomes de l'échantillon étudié. "L'information structurelle est fournie par tous les électrons, mais ceux qui ont un niveau d'énergie plus élevé peuvent être affectés à la fenêtre temporelle dans laquelle l'impulsion lumineuse était présente. Avec cette méthode, il est possible de sélectionner une fenêtre temporelle courte à partir de l'impulsion électronique longue et ainsi d'améliorer la résolution temporelle, " explique Markus Koch, professeur à l'Institut de physique expérimentale de l'Université de technologie de Graz. Jusque là, cependant, Les procédés LAES n'ont été observés qu'en phase gazeuse, malgré leur enquête pendant environ 50 ans.

Koch et son équipe, en collaboration avec des chercheurs de l'Institut de photonique de l'Université de technologie de Vienne et de l'Institut de chimie de l'Université métropolitaine de Tokyo, ont maintenant démontré pour la première fois que la diffusion d'électrons assistée par laser peut également être observée dans la matière condensée, spécifiquement dans l'hélium superfluide.

Hélium superfluide menant au succès

Les chercheurs de la TU Graz ont réalisé l'expérience dans une gouttelette d'hélium superfluide de quelques nanomètres de diamètre (3-30 nm), dans lesquels ils ont chargé des atomes uniques (indium ou xénon) ou des molécules (acétone) qui ont servi de source d'électrons, un domaine d'expertise de l'institut. "Les électrons libres peuvent se déplacer presque sans friction à l'intérieur de la gouttelette et absorber plus d'énergie dans le champ lumineux qu'ils n'en perdent lors des collisions avec les atomes d'hélium, " dit Leonhard Treiber, le doctorat étudiant en charge de l'expérimentation. L'accélération qui en résulte permet l'observation d'électrons beaucoup plus rapides.

Les expériences pourraient être interprétées en coopération avec Markus Kitzler-Zeiler, un expert des processus champ fort à la TU Wien, et le processus LAES a été confirmé par des simulations par Reika Kanya de l'Université métropolitaine de Tokyo. Les résultats ont été publiés dans Communication Nature .

À l'avenir, le procédé LAES sera étudié au sein de couches minces de divers matériaux, également produit à l'intérieur des gouttelettes d'hélium, afin de déterminer des paramètres importants tels que l'épaisseur optimale du film ou l'intensité favorable des impulsions laser pour une application au microscope électronique.