En coopération avec le Center for Nano-Optics de Georgia State University à Atlanta, des scientifiques du Laboratoire de physique attoseconde de l'Institut Max Planck d'optique quantique et de la Ludwig-Maximilians-Universität ont réalisé des simulations des processus qui se produisent lorsqu'une couche d'atomes de carbone est irradiée avec une forte lumière laser.

Les électrons frappés par de fortes impulsions laser changent de position sur des échelles de temps ultracourtes, c'est-à-dire en quelques attosecondes (1 as =10-18 sec). En coopération avec le Center for Nano-Optics de Georgia State University à Atlanta (USA), des scientifiques du Laboratoire de physique attoseconde (LAP) de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) et de la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) ont réalisé des simulations de processus qui se produisent lorsque les électrons d'une couche d'atomes de carbone interagissent avec de fortes lumière laser. Le but de ces simulations est de mieux comprendre les interactions lumière-matière dans le microcosme. Une meilleure compréhension des processus physiques sous-jacents pourrait conduire à une électronique pilotée par ondes lumineuses qui fonctionnerait à des fréquences lumineuses, qui est cent mille fois plus rapide que les technologies de pointe. Le graphène avec ses propriétés exceptionnelles est considéré comme très bien adapté comme système d'exemple pour les expériences de prototype.

Plus nous observons le mouvement des électrons, mieux nous comprenons leur interaction avec la lumière. De nombreux phénomènes qui surviennent dans la matière condensée en raison de l'interaction lumière-matière en champ fort ne sont pas encore entièrement compris. Comme les processus sous-jacents se produisent en femto ou même en attosecondes, il est difficile d'accéder à ce cosmos intra-atomique :une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde; une attoseconde est même mille fois plus courte. Les méthodes expérimentales qui permettront de relever ce défi sont au stade de développement. Cependant, il est possible d'étudier ces processus à l'aide de simulations numériques.

L'équipe de scientifiques du LAP et de la Georgia State University a calculé ce qui arrive aux électrons du graphène en interaction avec une impulsion laser intense. Le champ laser excite et déplace des électrons, changeant ainsi la distribution de densité de charge. Au cours de ce processus, une impulsion électronique extrêmement courte est diffusée hors de la sonde. La carte de diffraction de ces ondes de matière reflète comment la distribution de la densité électronique à l'intérieur de la couche de graphène a été modifiée en raison de l'impulsion laser.

Ces simulations ont révélé des relations complexes entre l'excitation des électrons de valence par la lumière et leur mouvement ultrarapide ultérieur à l'intérieur et entre les atomes de carbone dans la couche de graphène. Les électrons de valence sont faiblement liés et partagés entre les atomes voisins. Les scientifiques ont étudié leur mouvement en identifiant des volumes microscopiques qui représentent diverses liaisons chimiques et en analysant la charge électrique contenue dans ces volumes. Lors d'une impulsion laser, il y a une redistribution importante de la charge; à la fois, le déplacement des électrons provoqué par le champ électromagnétique de l'impulsion laser est très faible, moins d'un picomètre (10-12 m). En plus de ça, les calculs ont montré que le courant électrique induit par la lumière a une distribution microscopique inhomogène, circulant le long des liaisons chimiques entre les atomes de carbone.

Ces simulations devraient aider à de nouvelles mesures de diffraction électronique ultrarapide. "Nous allons peut-être détecter de nouveaux phénomènes, et peut-être observer des écarts par rapport à nos prévisions", le chef de projet Vladislav Yakovlev souligne. "Mais nous sommes à peu près sûrs qu'une bonne partie de la physique fondamentale attend d'être observée dans des mesures à l'échelle atomique difficiles mais réalisables."