Une horloge entièrement optique pour imager les paquets d’ondes à effet tunnel

Image d’une molécule (deux sphères vertes connectées) qui est irradiée par un champ fort, perd son électron, et l’électron, au cours de ce processus émet de la lumière que nous détectons et analysons ensuite. Crédit : Babushkin et al.

Les attoclocks, ou horloges attosecondes, sont des instruments qui peuvent mesurer des intervalles de temps à l’échelle de l’attoseconde en mesurant le temps nécessaire aux électrons pour sortir des atomes. La procédure attoseconde a été introduite pour la première fois par une équipe de recherche dirigée par Ursula Keller en 2008.

Des chercheurs de l’Université Leibniz de Hanovre, de l’Institut Max Born et d’autres instituts en Europe ont récemment développé une nouvelle horloge entièrement optique. Cette horloge, présentée dans un article publié dans Physique naturellepourrait être utilisé pour collecter des mesures résolues en temps dans des systèmes à matière condensée, ce qui n’a jamais été réalisé jusqu’à présent.

“Le tunneling est un processus inhérent à la mécanique quantique, et donc au-delà de notre” imagination classique “”, a déclaré Ihar Babushkin, l’un des chercheurs qui a mené l’étude. Phys.org. “La tunnelisation des électrons hors des atomes se produit lorsque nous plaçons des atomes dans un champ électrique très puissant. Le champ peut être rendu si fort qu’il “arrache” les électrons des atomes, mais les électrons doivent traverser une barrière avant de quitter l’atome. “

L’effet tunnel, le processus par lequel les électrons quittent les atomes, se produit très rapidement. Certains physiciens ont même suggéré que pendant l’effet tunnel, les électrons voyagent plus vite que la lumière et ont tenté de tester cette hypothèse en utilisant des outils de mesure attoclock existants.

“Le temps actuellement le plus rapide qui peut être mesuré est d’environ une attoseconde”, a expliqué Babushkin. “Une attoseconde vaut 10-18 secondes, cela se rapporte à une seconde environ comme une seconde à l’âge de l’univers, voire plus.”

Dans le passé, la plupart des chercheurs étudiaient l’effet tunnel en essayant d’attraper les électrons après qu’ils aient quitté les atomes. Bien que cette méthode ait conduit à des découvertes intéressantes, elle est souvent très complexe et coûteuse à mettre en œuvre, tout en n’examinant pas directement l’effet tunnel.

Dans leur article, Babushkin et ses collègues ont présenté une méthode alternative pour étudier directement le tunnelage, qui est également moins chère et plus précise que les techniques précédentes. Cette nouvelle méthode examine spécifiquement le rayonnement émis par les électrons au cours du processus de tunnel et sa dynamique ultérieure.

“C’est possible parce que quoi qu’il arrive à un électron, il émet de la lumière”, a déclaré Babushkin. “Notre méthode est très inhabituelle du point de vue de “l’intuition normale”. Supposons que vous essayez de mesurer quelque chose de très court, comme le battement d’ailes d’un papillon. Pour ce faire, vous avez besoin d’une horloge qui fonctionne plus vite que le battement. Et si vous essayiez plutôt d’utiliser une ancienne horloge solaire, qui peut mesurer les heures, mais pas les minutes et définitivement pas les secondes ? Cela peut sembler contre-intuitif, mais la période des ondes lumineuses que nous rattrapons pour mesurer les échelles de temps attosecondes est une milliards (109) fois plus grande que l’attoseconde. Mais, comme nous l’avons montré, c’est bel et bien possible !”

Essentiellement, l’attoclock développé par Babushkin et ses collègues capte la lumière émise par les électrons lorsqu’ils quittent les atomes et mesure sa polarisation. Pour qu’il fonctionne comme une « horloge », cependant, le fort champ électrique sortant de l’atome, également appelé « champ moteur », devait varier dans le temps et être polarisé circulairement.

“Si la lumière est polarisée circulairement, le champ électrique tourne avec le temps comme une aiguille d’horloge”, a déclaré Babushkin. “Pour que la lumière rayonne à la fréquence la plus basse possible, nous devions prendre deux composantes de fréquence dans le champ d’entraînement. Avec cela, la réponse de l’électron peut être dans la gamme des térahertz (un térahertz correspond à 1012 Hertz, et un Hertz est la mesure de fréquence correspondant à une oscillation par seconde).”

Dans leurs expériences, les chercheurs ont découvert qu’en mesurant la polarisation du rayonnement térahertz émis par l’électron, ils pouvaient accéder à sa dynamique à l’échelle de l’attoseconde. C’était un résultat inattendu, car les échelles de temps térahertz et attoseconde diffèrent de neuf ordres de grandeur.

“Étant donné que la mesure de la polarisation de la lumière est beaucoup plus précise que la mesure des électrons, notre attoclock optique peut être beaucoup plus précis que la procédure attoclock habituelle”, a déclaré Babushkin. “Bien que dans le présent article, nous ayons fait une présentation de preuve de principe de l’attoclock qui extrait principalement les mêmes informations que le traditionnel, à l’avenir, nous pourrons même aller au-delà d’une attoseconde et mesurer des temps déjà dans la gamme des zeptosecondes, quelque chose qui était tellement loin d’exister en physique.”

Les chercheurs ont déjà utilisé avec succès leur prototype d’attoclock pour mesurer quelque chose qui n’avait jamais été détecté avec l’attoclock traditionnel, à savoir une légère asymétrie dans le processus d’ionisation. À l’avenir, ils pensent qu’il pourrait également être utilisé pour collecter des mesures résolues dans le temps dans des systèmes où les électrons ne peuvent pas être détectés, comme les solides.

Actuellement, en raison de leurs coûts de fabrication élevés, les attoclocks ne peuvent être produits que dans relativement peu de laboratoires dans le monde. Comme le système créé par Babushkin et ses collègues a été construit en utilisant des composants beaucoup moins chers que ceux qui sous-tendent d’autres réalisations existantes de l’attoclock, il pourrait finalement permettre la collecte de mesures d’attoclock dans plus d’instituts à travers le monde.

“Notre attoclock pourrait avoir de nombreuses applications différentes”, a ajouté Babushkin. “Nous sommes particulièrement intéressés à essayer de l’appliquer dans les solides. C’est l’une des directions où la procédure attoclock traditionnelle ne fonctionne pas du tout. Actuellement, les processus excités par de forts champs optiques dans les solides sont à la limite de la science attoseconde et nous croyons que notre nouvel outil aidera à recueillir beaucoup d’informations intéressantes.”


Attoclock tout optique pour l’imagerie des paquets d’ondes à effet tunnel


Plus d’information:
Attoclock tout optique pour l’imagerie des paquets d’ondes à effet tunnel. Physique naturelle(2022). DOI : 10.1038 / s41567-022-01505-2.

Mesures de temps de retard d’ionisation attoseconde et d’effet tunnel dans l’hélium. La science(2008). DOI : 10.1126 / science.1163439.

Fourni par Science X Network

© 2022 Réseau Science X

Citation: Un attoclock entièrement optique pour imager les paquets d’ondes à effet tunnel (2022, 24 mars) récupéré le 24 mars 2022 sur https://phys.org/news/2022-03-fully-optical-attoclock-image-tunnelling.html

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