Méthode de microscopie ultrarapide pour les processus optiques

Une méthode de microscopie extrêmement rapide pour étudier l’interaction de la lumière et de la matière permet d’étudier les processus optiques sur des échelles de temps très courtes. À cette fin, une équipe de recherche germano-italienne combine l’imagerie holographique avec la spectroscopie ultrarapide de manière innovante. De cette manière, même les phénomènes électroniques et magnétiques de très courte durée – qui jouent un rôle majeur dans le développement et l’application de nouveaux matériaux énergétiques – peuvent être observés. La recherche a été menée dans le cadre d’une collaboration internationale entre des scientifiques de l’Institut de chimie physique de l’Université de Heidelberg, de l’École polytechnique de Milan, et de l’Institut de photonique et nanotechnologies de Milan (Italie).

Au cœur de la recherche se trouve un microscope pompe-sonde, utilisé pour réaliser des expériences dites d’excitation et de détection. Dans ce processus, le matériau étudié est d’abord excité par une courte impulsion lumineuse, tandis qu’une deuxième impulsion enregistre la réponse en fonction du temps. En comparant les mesures prises avec et sans excitation, ces processus peuvent être reconstruits avec précision.

« La combinaison de l’imagerie holographique avec la spectroscopie ultrarapide nous permet de résoudre spatialement les dynamiques électroniques et magnétiques et de les suivre sur des échelles de temps allant des femtosecondes aux picosecondes », explique le Dr Julia Anthea Gessner, qui mène des recherches en tant que chef de projet au sein du Centre de recherche collaborative 1249 « N-Hétéropolycycles comme matériaux fonctionnels » et en tant que chef de groupe à l’Institut de chimie physique.

La méthode innovante développée par l’équipe de recherche germano-italienne permet de visualiser simultanément des phénomènes électromagnétiques ultrarapides sur de grands champs de vision, explique le Dr Martin Hörmann de l’École polytechnique de Milan. Contrairement à d’autres techniques de microscopie, cela permet d’imager des zones à l’échelle du micromètre et de générer des « films » résolus dans le temps de la dynamique de charge et de spin des électrons.

De plus, les modifications induites par la lumière dans les propriétés optiques des matériaux peuvent être rendues visibles de cette manière. « Notre approche chiroptique ouvre ainsi des possibilités entièrement nouvelles pour observer directement les processus dynamiques dans les matériaux complexes », déclare le Dr Hörmann, qui a joué un rôle clé dans la recherche actuelle avec le Dr Gessner et le doctorant Federico Visentin.

Cette technique d’imagerie ultrarapide à haute résolution est principalement destinée à être utilisée avec des matériaux énergétiques. Ces matériaux sont pertinents pour les technologies durables telles que les cellules solaires, les LED, les spin-LED ou les composants électroniques innovants.

« La technique de microscopie fournit de nouvelles informations sur les processus optiques ultrarapides, en particulier sur la manière dont ils changent en réponse à la composition et à la structure des matériaux », souligne le Prof. Dr Felix Deschler, qui mène des recherches à l’Institut de chimie physique de l’Université de Heidelberg. Selon le Prof. Dr Franco V. A. Camargo, scientifique à l’Institut de photonique et nanotechnologies de Milan, l’étude de l’interaction de la lumière et de la matière peut fournir des informations importantes pour le développement de composants efficaces et durables pour l’optoélectronique et la spintronique.

La recherche a été financée par l’Union européenne. Elle a été réalisée dans le cadre des subventions de démarrage attribuées au Prof. Deschler et au Prof. Camargo par le Conseil européen de la recherche (ERC). Les résultats de l’étude ont été publiés dans la revue « Nature Photonics ».

Article : Ultrafast holographic chiroptical microscopy – Journal : Nature Photonics – DOI : Lien vers l’étude

Source : Heidelberg U.