Impulsion attoseconde record : la caméra la plus rapide pour les électrons

Les électrons déterminent tout : le déroulement des réactions chimiques, la conduction de l’électricité par les matériaux, le transfert d’énergie par les molécules biologiques, et le fonctionnement des technologies quantiques. Mais la dynamique des électrons se produit sur des échelles de temps attosecondes – bien trop rapides pour les outils de mesure conventionnels.

Les chercheurs ont maintenant généré une impulsion de rayons X mous de 19,2 attosecondes [1], ce qui crée effectivement une caméra capable de capturer ces dynamiques insaisissables en temps réel avec un détail sans précédent, permettant l’observation de processus jamais observés auparavant. D’une durée de seulement 19,2 attosecondes, c’est l’impulsion de rayons X mous la plus courte et la plus brillante jamais produite, donnant naissance à la « caméra » la plus rapide existante.

Les flashs de lumière dans le domaine spectral des rayons X mous fournissent une identification par empreinte digitale, permettant aux scientifiques de suivre la réorganisation des électrons autour d’atomes spécifiques lors de réactions ou de transitions de phase. Générer une impulsion isolée aussi courte a nécessité des innovations dans la génération d’harmoniques élevées, l’ingénierie laser avancée et la métrologie attoseconde. Ensemble, ces développements permettent aux chercheurs d’observer la dynamique des électrons, qui définit les propriétés des matériaux, à leurs échelles de temps naturelles.

Le chemin vers cette étape a cependant commencé en 2015, lorsque l’équipe du Prof. Jens Biegert a été pionnière dans la génération d’impulsions attosecondes dans le régime des rayons X mous en isolant avec succès des salves attosecondes de cette lumière [2]. Ces impulsions ont démontré leur utilité révolutionnaire en résolvant l’interaction des électrons avec le réseau cristallin dans un solide [3] et en élucidant comment et quand un anneau moléculaire s’ouvre [4] comme précurseur de processus tels que la polymérisation. Mais, à l’époque, la méthode pour déterminer la durée avait des limites qui peuvent maintenant être surmontées, conduisant à la démonstration de l’impulsion la plus courte jamais mesurée.

Prof. Jens Biegert (left) and Dr. Fernando Ardana-Lamas (right) in the Attoscience laboratory at ICFO. — *Le professeur Jens Biegert (à gauche) et le docteur Fernando Ardana-Lamas (à droite) dans le laboratoire Attoscience de l’ICFO*. Crédit : ICFO

« Quand je suis arrivé dans le groupe et que j’ai vu les traces de streaking, j’ai dû examiner cela avec une nouvelle méthode de récupération d’impulsion », partage avec enthousiasme le premier auteur, le Dr Fernando Ardana-Lamas. « Enfin, nous pouvons dire que, à notre connaissance, nous avons confirmé l’impulsion lumineuse la plus courte du monde ! »

« Cette nouvelle capacité ouvre la voie à des percées en physique, chimie, biologie et science quantique, permettant l’observation directe des processus qui pilotent le photovoltaïque, la catalyse, les matériaux corrélés et les dispositifs quantiques émergents », explique le Prof. Biegert, en réfléchissant à l’avenir des impulsions attosecondes de rayons X mous en dessous de l’unité atomique de temps. Comme il le dit, maintenant que les fondations sont posées, « le ciel est la limite ».

Schematic layout of the ICFO attosecond beamline, showing the sequential vacuum chambers and optical elements used to ge — chéma de la ligne de faisceau attoseconde de l’ICFO, montrant les chambres à vide séquentielles et les éléments optiques utilisés pour générer, conditionner et analyser les impulsions de rayons X attosecondes. Le diagramme retrace la propagation du faisceau laser infrarouge rouge et du faisceau de rayons X mous bleus à travers la chambre de génération HHG, la section de pompage différentiel, la chambre à miroir ellipsoïdal, la chambre d’analyse avec spectromètre et réseau, et le système final de détection des rayons X, générant le graphique qui montre la détection de l’impulsion lumineuse de 19,2 attosecondes. Crédit : ICFO

Références :

[1] Fernando Ardana-Lamas, Seth L. Cousin, Juliette Ligneres, Jens Biegert. Brilliant source of 19.2 attosecond soft X-ray pulses below the atomic unit of time. Ultrafast Sci. 0: https://spj.science.org/doi/10.34133/ultrafastscience.0128

Quelques résultats récents utilisant notre méthodologie attoseconde dans les solides et les molécules :

[2] F. Silva, S. Teichmann, S. L. Cousin, J. Biegert, “Spatio-temporal isolation of attosecond soft X-ray pulses in the water window”, Nature Commun. 6, 6611 (2015).

[3] T.P.H. Sidiropoulos, N. Di Palo, D.E. Rivas, S. Severino, M. Reduzzi, B. Nandy, B. Bauerhenne, S. Krylow, T. Vasileiadis, T. Danz, P. Elliott, S. Sharma, K. Dewhurst, C. Ropers, Y. Joly, K. M. E. Garcia, M. Wolf, R. Ernstorfer, J. Biegert, “Probing the Energy Conversion Pathways between Light, Carriers, and Lattice in Real Time with Attosecond Core-Level Spectroscopy”, Phys. Rev. X. 11, 041060 (2021).

[4] S. Severino, K.M. Ziems, M. Reduzzi, A. Summers, H.-W. Sun, Y.-H. Chien, S. Gräfe, J. Biegert, “Attosecond core-level absorption spectroscopy reveals the electronic and nuclear dynamics of molecular ring opening”, Nature Photon. 18, 731-737 (2024).

Article : Brilliant Source of 19.2-Attosecond Soft X-ray Pulses below the Atomic Unit of Time – Journal : Ultrafast Science

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