“Sonder les processus électroniques dans la matière” grâce au plasma

Pour observer des phénomènes ultrarapides tels que le mouvement des électrons au sein de la matière, les chercheurs ont besoin de sources capables de produire des rayonnements lumineux extrêmement brefs et énergétiques.

Si des dispositifs capables d’émettre des impulsions dans le domaine de l’attoseconde (10-18 seconde) existent déjà, de nombreuses équipes s’efforcent de repousser les limites de leur intensité et de leur durée.

 Une équipe pilotée par le Laboratoire d’optique appliquée (LOA, CNRS / ENSTA-Paristech / Ecole Polytechnique), en collaboration avec le CEA et le Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses (CNRS/CEA/Ecole Polytechnique/UPMC), a réussi, pour la première fois, à accélérer et guider de façon reproductible des électrons dans un plasma à l’aide d’un laser. Ces électrons excitent le plasma, qui émet alors des impulsions électromagnétiques ultra brèves à des longueurs d’onde dans le domaine de l’extrême ultraviolet. Ce rayonnement attoseconde énergétique pourra servir à sonder les processus électroniques ultra rapides. Ces travaux sont publiés dans Nature Physics.

Des événements, tels que l’ionisation d’un atome ou le passage d’un électron d’un état d’excitation à un autre, se déroulent sur des échelles de temps typiques de l’ordre de l’attoseconde (un milliardième de milliardième de seconde). Pour les observer en direct, on doit pouvoir produire des impulsions lumineuses d’une durée comparable afin de « saisir » l’évolution du phénomène, à la manière d’un obturateur photographique. Jusqu’à présent, il n’existait qu’une manière d’obtenir des impulsions aussi brèves, en excitant par laser les électrons d’un gaz. Ces derniers émettent alors une impulsion dans le domaine de l’extrême ultraviolet (X-UV). Mais ce procédé a des limites et, pour observer certains phénomènes, les chercheurs auraient besoin de sources encore plus brèves et surtout plus énergétiques. Voilà pourquoi de nombreuses équipes se sont tournées vers la physique des plasmas, cet état de la matière extrêmement chaud et dense, constitué d’ions et d’électrons.

"Sonder les processus électroniques dans la matière" grâce au plasma

L’équipe menée par le LOA est la première à avoir obtenu des impulsions attoseconde dans l’X-UV de façon reproductible en contrôlant l’excitation d’un plasma par des électrons accélérés dans un champ laser. Pour y parvenir, les chercheurs ont d’abord dû développer une source laser très performante, permettant d’atteindre des éclairements mille à dix mille fois supérieurs à ceux utilisés dans les milieux gazeux, et délivrant un millier d’impulsions par seconde, d’une durée de l’ordre de quelques femtosecondes chacune (10-15 seconde). De plus, cette source est stabilisée en phase : toutes les impulsions générées sont identiques les unes par rapport aux autres. Les chercheurs sont parvenus à focaliser toute la puissance lumineuse du laser sur une tache d’un peu plus d’un micron de diamètre à la surface d’une cible en silice. La matière de la cible est ainsi transformée en un plasma de densité comparable à celle d’un solide. Dans ce plasma, les électrons sont fortement accélérés par le champ électromagnétique produit par le faisceau laser. Lorsqu’ils traversent le plasma, ils excitent au sein de celui-ci des mouvements collectifs de charges produisant alors un rayonnement X-UV que les chercheurs ont pu observer et analyser à l’aide d’un spectromètre.

"Sonder les processus électroniques dans la matière" grâce au plasma

Ces travaux devraient déboucher sur une source de rayonnement énergétique dont pourront se servir physiciens et chimistes pour sonder les processus électroniques dans la matière avec une résolution temporelle dans le domaine attoseconde. Pour l’heure, les chercheurs prévoient d’améliorer leur source laser afin de produire un rayonnement encore plus bref et à plus courte longueur d’onde (dans le domaine des rayons X), en guidant de manière contrôlée le mouvement des électrons dans le plasma qui se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière.

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