Ce fut l’une des plus grandes surprises de l’histoire des sciences :aux débuts de la physique quantique, il y a environ 100 ans, les chercheurs ont découvert que les particules qui composent notre matière se comportent toujours comme des ondes. Tout comme la lumière peut se disperser au niveau d'une double fente et produire des motifs de diffusion, les électrons peuvent également présenter des effets d'interférence.

En 1933, les deux théoriciens Piotr Kapitza et Paul Dirac ont prouvé qu'un faisceau d'électrons est même diffracté par une onde lumineuse stationnaire (en raison des propriétés des particules) et qu'il faut s'attendre à des effets d'interférence dus aux propriétés de l'onde.

Une équipe germano-chinoise dirigée par le professeur Reinhard Dörner de l'université Goethe de Francfort a réussi à utiliser cet effet Kapitza-Dirac pour visualiser même l'évolution temporelle des ondes électroniques, connue sous le nom de phase mécanique quantique des électrons. L'étude est publiée dans la revue Science .

"C'est un ancien doctorant de notre institut, Alexander Hartung, qui a construit l'appareil expérimental", explique Dörner. "Après son départ, Kang Lin, un boursier d'Alexander von Humboldt qui a travaillé dans l'équipe de Francfort pendant quatre ans, a pu l'utiliser pour mesurer l'effet Kapitza-Dirac en fonction du temps." Pour ce faire, il était également nécessaire de développer davantage la description théorique, car Kapitza et Dirac ne prenaient pas spécifiquement en compte l'évolution temporelle de la phase électronique à cette époque.

Dans leur expérience, les scientifiques de Francfort ont d'abord tiré deux impulsions laser ultracourtes provenant de directions opposées sur un gaz xénon. Au point de croisement, ces impulsions femtosecondes (une femtoseconde équivaut à un quadrillionième de seconde) ont produit un champ lumineux ultra-puissant pendant des fractions de seconde. Cela a arraché les électrons des atomes de xénon, c'est-à-dire les a ionisés.

Très peu de temps après, les physiciens ont tiré une deuxième paire de courtes impulsions laser sur les électrons ainsi libérés, qui ont également formé une onde stationnaire au centre. Ces impulsions étaient légèrement plus faibles et n’ont provoqué aucune ionisation supplémentaire. Ils étaient cependant désormais capables d'interagir avec les électrons libres, ce qui pouvait être observé à l'aide d'un microscope à réaction COLTRIMS développé à Francfort.

"Au point d'interaction, trois choses peuvent se produire", explique Dörner. "Soit l'électron n'interagit pas avec la lumière, soit il est diffusé vers la gauche ou vers la droite."

Selon les lois de la physique quantique, ces trois possibilités s'additionnent pour former une certaine probabilité qui se reflète dans la fonction d'onde des électrons :l'espace nuageux dans lequel l'électron est susceptible de se trouver, avec une certaine probabilité, s'effondre. , pour ainsi dire, en tranches tridimensionnelles. Ici, l'évolution temporelle de la fonction d'onde et de sa phase dépend du temps qui s'écoule entre l'ionisation et le moment d'impact de la deuxième paire d'impulsions laser.

"Cela ouvre de nombreuses applications passionnantes en physique quantique. Nous espérons que cela nous aidera à suivre comment les électrons se transforment de particules quantiques en particules tout à fait normales dans les plus brefs délais. Nous prévoyons déjà de l'utiliser pour en savoir plus sur l'intrication. entre différentes particules qu'Einstein a qualifiées de « effrayantes » », explique Dörner.