Des scientifiques du Département de physique et du Centre de nanoscopie ultrarapide de Regensburg (RUN), de l'Université de Ratisbonne, ont désormais pu observer directement une version quantique de l'étincelle de Hertz sautant entre deux atomes seulement en mesurant l'oscillogramme de la lumière qu'elle émet avec le temps. une précision plus rapide qu'un seul cycle d'oscillation de l'onde lumineuse.

Ce nouveau signal a permis d’atteindre un objectif recherché depuis longtemps :la résolution spatiale atomique en microscopie tout optique. En tant que canal de communication sans précédent avec le monde quantique, ce signal pourrait être crucial pour le développement de technologies quantiques ultra-rapides, car il donne de nouvelles informations sur les processus qui se produisent à des échelles de longueur d'atomes uniques et à des échelles de temps supérieures à un billionième de seconde. P>

L'équipe de physiciens a utilisé une pointe atomiquement pointue pour concentrer la lumière dans le petit espace entre le sommet de la pointe et une surface d'échantillon appelée région de champ proche. Cette fois, l'espace a été maintenu à seulement quelques atomes de large avec une précision subatomique. P>

En physique classique, où les électrons sont imaginés comme de minuscules particules chargées, les électrons ne peuvent pas pénétrer cet espace. Cependant, la proximité pointe atomique-échantillon révèle la seconde nature des particules en mécanique quantique :leur comportement ondulatoire. La majeure partie de l'onde électronique se trouvera dans la pointe, mais une petite fraction résidera également à travers l'espace à l'intérieur de l'échantillon, comme si une personne se tenait des deux côtés d'une porte en même temps.

Cette dualité contre-intuitive onde-particule quantique se manifeste par un courant d’électrons mesurable expérimentalement traversant le minuscule espace. Pourtant, ce processus est désormais piloté extrêmement rapidement par l’utilisation d’ondes lumineuses, les champs électriques alternatifs les plus rapides que les physiciens puissent contrôler. Le champ électrique oscillant de la lumière fait circuler les électrons tunnel entre l'atome frontière de la pointe et l'échantillon, entraînant ainsi la version quantique de l'étincelle de Hertz.

"Détecter l'émission hertzienne d'une poignée d'électrons par cycle d'oscillation de la lumière semblait au début mission impossible", explique le premier auteur, Tom Siday. "Imaginez notre surprise lorsque nous avons découvert un signal puissant, tout cela grâce à la pointe ultra-stable agissant comme une antenne transmettant cette onde à l'échelle atomique."

Les auteurs ont nommé cette nouvelle technique « microscopie à émission tunnel optique en champ proche » (NOTE). Ces découvertes ouvrent la porte à l’observation directe des ondes de matière au ralenti sur des échelles de longueur atomique. Les résultats sont publiés dans Nature .

Cette découverte révolutionnaire est devenue possible grâce à un microscope optique ultrarapide unique combinant la résolution spatiale extrême d'un microscope à sonde à balayage de pointe avec une mesure de signal entièrement optique (lumière entrante, sortante).

"L'électronique est phénoménalement sensible mais trop lente pour suivre directement les oscillations actuelles de l'étincelle quantique induite par les ondes lumineuses. Il faut donc regarder à l'intérieur des oscillations de la lumière émise elle-même", explique l'auteur principal Rupert Huber.

"NOTE est né lorsque nous avons observé que les ondes lumineuses entrantes et sortantes étaient décalées dans le temps d'un quart de la période d'oscillation, soit seulement un quart de billionième de seconde dans notre expérience ! Nous devions nous assurer que l'ensemble de notre configuration optique est suffisamment stable pour détecter ce petit changement et que nous avons un contrôle absolu sur le champ lumineux oscillant", poursuit l'un des auteurs principaux, Johannes Hayes.

"La pointe de l'antenne doit rester au-dessus du même atome, même au cœur du foyer intense de puissantes impulsions laser, le tout à une distance inférieure à un dix millième du diamètre d'un cheveu humain. Seul le modèle expérimental le plus stable les conditions sont juste assez bonnes", conclut un autre auteur principal, Felix Schiegl.

Le déchiffrement de ce signal télégraphique quantique reste un défi. Il ne suffit pas de considérer uniquement les deux atomes entre lesquels l’étincelle quantique saute, car la dynamique est fortement influencée par l’environnement. Pour simuler à partir des premiers principes la réponse quantique d'un stupéfiant 10 ¹⁰ atomes, Jan Wilhelm a utilisé un superordinateur pour reproduire le décalage temporel de signature du signal NOTE et fournir un premier aperçu du flux quantique d'électrons piloté par les ondes lumineuses et de la distorsion des orbitales atomiques.

NOTE a déjà permis de découvrir de nouvelles physiques. "Les électrons passant de la pointe à l'échantillon puis revenant sont presque hypothétiques :invisibles pour l'électronique, mais pas pour NOTE", explique l'auteur correspondant Yaroslav Gerasimenko.

"Ils doivent simplement rester sous la pointe jusqu'à ce que le champ lumineux change de direction pour pouvoir revenir." En examinant un isolant atomiquement mince (un matériau qui résiste à la propagation des électrons), les physiciens ont eu un premier aperçu de ces courants de matière ultrarapides et peuvent désormais se pencher sur la dynamique à l'échelle atomique auparavant cachée dans les couches isolantes omniprésentes dans l'électronique et le photovoltaïque.

Ces nouveaux résultats présentent une avancée révolutionnaire dans le domaine de la microscopie optique, la portant simultanément aux échelles de longueur et de temps ultimes. L'observation directe des courants tunnel ultrarapides pourrait permettre une compréhension sans précédent de la dynamique électronique des matériaux quantiques et des plates-formes quantiques pour l'informatique et le stockage de données.

NOTE ouvre en outre la porte à la dynamique des champs forts à l’échelle atomique, telle que l’électronique des ondes lumineuses. La découverte de ce canal de communication avec le monde quantique pourrait, tout comme les découvertes de Hertz il y a plus de 100 ans, déclencher une révolution dans le transfert d'informations. De plus, cela pourrait être essentiel pour comprendre la dynamique microscopique qui façonne les appareils de demain.