En superposant deux impulsions laser ultrabrèves convergeant depuis des directions différentes, une équipe de physiciens de l’Université d’Oldenburg, en Allemagne, est parvenue à générer des champs de lumière tridimensionnels. Au moyen de cette même méthode, ils ont également pu exciter des électrons vers des états quantiques jusque-là inaccessibles dans les expériences. Cette approche ouvre de nouvelles voies expérimentales pour identifier des structures chirales, contrôler les interactions entre la lumière et la matière et générer des états quantiques électroniques spécifiques, rapportent les chercheurs dans la revue scientifique Physical Review Research.
« Avec notre méthode, nous pouvons générer des états quantiques électroniques qui n’avaient jusqu’ici été décrits que théoriquement et également les rendre visibles dans l’espace », explique le professeur Matthias Wollenhaupt, qui dirige l’équipe de recherche. « Nous avons ainsi élargi la boîte à outils optique expérimentale pour y inclure une nouvelle classe de champs de lumière tridimensionnels. »
Pour générer les champs de lumière 3D, l’équipe a superposé deux impulsions laser femtosecondes spécialement façonnées. Ces dernières sont des bouffées de lumière extrêmement brèves, qui ne durent que quelques millionièmes de milliardièmes de seconde. Les chercheurs ont combiné deux faisceaux laser de couleurs différentes, en faisant se croiser les faisceaux en un point unique, créant ainsi des champs de lumière tridimensionnels dont ils ont pu contrôler la forme.
« Ces champs oscillent selon les trois directions de l’espace, ce qui ouvre de nouvelles possibilités pour étudier et contrôler des interactions spécifiques entre lumière et matière », explique Darius Köhnke, l’un des deux premiers auteurs de l’étude et doctorant au sein du groupe de recherche Ultrafast Coherent Dynamics. L’avantage essentiel de cette procédure est que les chercheurs peuvent utiliser des champs de lumière 3D pour générer des états quantiques d’électrons jusque-là inaccessibles dans les expériences.
L’équipe l’a démontré en utilisant son champ de lumière 3D pour exciter sélectivement des électrons d’atomes de potassium vers des états d’énergie supérieure – appelés états excités – puis pour les libérer de l’atome. Les chercheurs ont pu observer simultanément, à intervalles rapprochés, les changements des états électroniques. Leur méthode a ainsi fonctionné comme une caméra ultra-rapide pour les processus quantiques : à l’instar de la technique d’éclairage au flash stroboscopique, ils ont pu capturer les étapes successives des différents états électroniques, formant ainsi un film de leur évolution.
Les chercheurs expliquent que la nouvelle méthode est particulièrement prometteuse pour l’étude des molécules chirales, qui jouent un rôle clé en biologie et en médecine. Les molécules chirales existent sous deux formes qui sont l’image miroir l’une de l’autre mais ne peuvent être superposées, un peu comme une paire de mains gauche et droite humaines. De nombreuses biomolécules, notamment des acides aminés, des glucides et des principes actifs de médicaments, peuvent être chirales. Leurs deux formes présentent souvent des propriétés différentes. Par exemple, la thalidomide, principe actif du médicament Contergan, possède une forme qui provoque des malformations congénitales pendant la grossesse et une autre qui est inoffensive. Il peut toutefois être très difficile de séparer ou de distinguer les deux formes différentes.
Les champs de lumière tridimensionnels pourraient conduire à des avancées importantes dans le domaine de la détection chirale : « Des études théoriques montrent que les champs de lumière tridimensionnels peuvent également posséder des propriétés chirales », explique Wollenhaupt. Les possibilités qu’ouvrent les champs de lumière tridimensionnels pour l’étude et le contrôle de la chiralité moléculaire ont récemment été mises en évidence par la physicienne Olga Smirnova, professeure à l’Institut Max Born d’optique non linéaire à Berlin, dans un article publié dans la revue Science et intitulé « Un nouvel âge de la chiralité moléculaire ». Les physiciens écrivent que l’étude actuelle jette des bases importantes pour de telles applications.
Article : Multiphoton ionization with three-dimensional light fields – Journal : Physical Review Research – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Oldenburg U
