Une impulsion laser intense (en rouge) frappe un flux de molécules d’eau, induisant une dynamique ultrarapide des électrons dans le liquide. Crédit : Joerg M. Harms / MPSD
Les scientifiques ont réussi à sonder le comportement des électrons dans les liquides à l’aide de champs laser intenses, dévoilant un spectre unique à hautes harmoniques. Leur étude identifie un facteur clé dans photon limites d’énergie et introduit un nouvel outil spectroscopique pour étudier la dynamique des électrons dans les liquides.
Une équipe internationale de chercheurs de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, en Allemagne, et de l’ETH Zurich en Suisse, a démontré qu’il est possible de sonder la dynamique des électrons dans les liquides à l’aide de champs laser intenses. De plus, ils ont récupéré le libre parcours moyen d’un électron – la distance moyenne qu’un électron peut parcourir avant d’entrer en collision avec une autre particule. Ils ont découvert que le mécanisme par lequel les liquides émettent un spectre lumineux particulier appelé spectre harmonique élevé est nettement différent de celui des autres phases de la matière comme les gaz et les solides. Les découvertes de l’équipe ouvrent la porte à une compréhension plus approfondie de la dynamique ultrarapide des liquides.
Technique de génération d’harmoniques élevés
L’utilisation de champs laser intenses pour générer des photons à haute énergie, connue sous le nom de génération d’harmoniques élevés (HHG), est une technique largement répandue et couramment déployée dans de nombreux domaines scientifiques. Par exemple, il est utilisé pour sonder le mouvement électronique dans les matériaux et suivre les réactions chimiques dans le temps. Le HHG a été largement étudié dans les gaz et, plus récemment, dans les cristaux, mais à ce jour, on en sait beaucoup moins sur ce phénomène dans les liquides.
Nouvelles découvertes sur les HHG dans les liquides
L’équipe de recherche suisse-allemande rapporte maintenant dans la revue Physique naturelle comment il a démontré le comportement unique des liquides lorsqu’ils sont irradiés par des lasers intenses. Jusqu’à présent, on ne sait presque rien de ces processus induits par la lumière dans les liquides – un contraste frappant avec les récents progrès scientifiques sur le comportement des solides en particulier sous irradiation. L’équipe expérimentale de l’ETH Zurich a donc développé un appareil unique pour étudier spécifiquement l’interaction des liquides avec des lasers intenses. Les chercheurs ont découvert un comportement distinctif dans lequel l’énergie photonique maximale obtenue grâce au HHG dans les liquides est indépendante de la longueur d’onde du laser. Alors, quel facteur est responsable de cette limite supérieure ?
Comprendre le plafond énergétique dans les ménages domestiques
C’est la question que le groupe MPSD Theory a tenté de résoudre. Surtout, les chercheurs de Hambourg ont identifié un lien qui n’avait pas encore été découvert.
« La distance qu’un électron peut parcourir dans le liquide avant d’entrer en collision avec une autre particule est le facteur crucial qui impose un plafond à l’énergie des photons », a déclaré Nicolas Tancogne-Dejean, chercheur au MPSD et co-auteur de l’étude.
« Nous avons pu extraire cette quantité – connue sous le nom de libre parcours moyen effectif des électrons – à partir des données expérimentales grâce à un modèle analytique spécialement développé qui prend en compte la diffusion des électrons. »
L’importance de HHG dans la dynamique électronique
En combinant les résultats expérimentaux et théoriques de leur étude des HHG dans les liquides, les scientifiques ont non seulement identifié le facteur clé qui détermine l’énergie photo maximale, mais ils ont également réalisé la première expérience de spectroscopie à hautes harmoniques dans les liquides. À faible énergie cinétique, région sondée expérimentalement dans cette étude, le libre parcours moyen effectif des électrons est très difficile à mesurer.
Par conséquent, les travaux de l’équipe ETZ Zurich / MPSD font du HHG un nouvel outil spectroscopique pour étudier les liquides et constituent donc une étape importante dans la quête de la compréhension de la dynamique des électrons dans les liquides.
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Des lasers intenses illuminent la dynamique électronique des liquides.
