Des scientifiques du Max Born Institute de Berlin (Allemagne), de l’Université catholique de Louvain (Belgique), de l’Université d’Uppsala (Suède), de l’Université de Kassel (Allemagne) et d’Elettra Sincrotrone Trieste (Italie) ont démontré une nouvelle façon de contrôler les électrons à l’aide de la lumière ultraviolette extrême (XUV), étendant ainsi les concepts dits de « contrôle quantique » à une portion du spectre électromagnétique restée longtemps hors de portée. Les résultats sont publiés dans Nature Photonics.
La lumière est l’un des outils les plus puissants dont disposent les scientifiques pour sonder la matière. En interagissant avec les électrons, elle révèle comment les atomes, les molécules et les matériaux sont structurés et comment ils évoluent dans le temps. Les photons ultraviolets et X de haute énergie sont particulièrement attractifs, car ils permettent d’accéder aux électrons situés à proximité des noyaux atomiques, où chaque élément chimique possède sa propre signature électronique distinctive.
Si les chercheurs savent contrôler les électrons avec des lasers visibles et infrarouges, étendre ces techniques aux domaines XUV et X s’est révélé bien plus difficile. L’équipe de recherche internationale apporte désormais un nouvel outil à cette région exigeante du spectre.
Faire aller un électron dans les deux sens… ou pas.
L’une des caractéristiques les plus étranges de la mécanique quantique est qu’un processus peut se produire de plusieurs façons à la fois. Un électron peut atteindre le même état final par des chemins différents, et ces chemins peuvent soit s’additionner, soit s’annuler mutuellement, un peu comme des ondulations qui se superposent à la surface de l’eau.
Les chercheurs ont exploité ce phénomène en créant deux chemins quantiques concurrents pour exciter un état lié de He. Comme chemins quantiques, ils ont utilisé ce que l’on appelle l’excitation Raman stimulée avec des impulsions XUV (Figure 1a).
« Avec l’excitation Raman stimulée dans l’XUV c’est un peu comme si nous pouvions éjecter un électron d’un atome, puis le ramener chez lui avec la lumière. Fait remarquable, lorsque nous disposons de deux de ces voies de transition, nous pouvons décider si cela se produit ou non simplement en introduisant de très petits délais dans la lumière que nous projetons dessus. En d’autres termes, en contrôlant la phase des impulsions lumineuses dans l’une des voies quantiques, nous pouvons décider si les deux voies quantiques coopèrent l’une avec l’autre ou agissent l’une contre l’autre », déclare Matthieu Génévriez, l’un des auteurs et chercheur à l’UCLouvain. Le résultat de l’excitation varie avec la phase de l’un des champs XUV, comme le montre la figure 1b.
Depuis des décennies, les scientifiques s’appuient sur la diffusion Raman stimulée et des techniques apparentées utilisant des lasers visibles et infrarouges pour suivre les réactions chimiques et le mouvement des électrons. « La nouvelle expérience démontre que ces méthodes puissantes peuvent désormais être transposées dans l’ultraviolet extrême, relevant un défi de longue date et ouvrant de nouvelles possibilités d’imagerie et de manipulation de la matière avec une résolution spatiale sans précédent », déclare Ulli Eichmann, auteur principal et chercheur au Max Born Institute.
L’expérience rapportée dans Nature Photonics a été réalisée au laser à électrons libres FERMI à Trieste, en Italie, l’une des rares installations au monde capables de produire la lumière ultraviolette extrême intense et hautement contrôlée requise pour ce type d’étude.
« Ces installations produisent des éclats de lumière XUV et X extrêmement brillants et ultracourts, nous permettant de sonder la matière de façons auparavant impossibles », explique Jan-Erik Rubensson, chercheur à l’Université d’Uppsala. « En un certain sens, elles fournissent un instantané du mouvement des électrons et des noyaux atomiques, un peu comme une image aux rayons X capture les structures à l’intérieur du corps humain. », complète Ulli Eichmann.
L’équipe internationale estime que les concepts démontrés dans ce travail pourraient à terme permettre une nouvelle génération d’outils d’imagerie et de spectroscopie spécifiques des éléments, capables de suivre le mouvement des électrons et les transformations chimiques aux échelles les plus petites.
Article : Phase control of interfering stimulated Raman pathways in the XUV regime – Journal : Nature Photonics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : MBI
