Représentation schématique de la configuration expérimentale : les impulsions attosecondes (violet) éjectent des électrons (vert) d’une surface cristalline. Le microscope électronique à photoémission (instrument en forme de cône en haut) examine les mouvements rapides des électrons. Crédit : Jan Vogelsang, édité
Une étude révolutionnaire menée par une équipe suédo-allemande a suivi la dynamique électronique ultrarapide avec une précision inégalée, ouvrant ainsi de nouvelles voies dans la recherche sur les nanomatériaux et les cellules solaires.
Lorsque des électrons se déplacent dans une molécule ou un semi-conducteur, cela se produit sur des échelles de temps incroyablement courtes. Une équipe de recherche suédo-allemande comprenant le physicien Dr Jan Vogelsang de l’Université d’Oldenburg a fait des progrès significatifs vers une meilleure compréhension de ces processus ultrarapides : les chercheurs ont pu suivre la dynamique des électrons libérés par la surface des cristaux d’oxyde de zinc en utilisant des impulsions laser avec une résolution spatiale de l’ordre du nanomètre et une résolution temporelle jusqu’alors inédite.
Avancées dans la recherche sur le comportement électronique
Grâce à ces expériences, l’équipe a démontré l’applicabilité d’une méthode qui pourrait être utilisée pour mieux comprendre le comportement des électrons dans les nanomatériaux et les nouveaux types de cellules solaires, entre autres applications. Des chercheurs de l’Université de Lund, dont le professeur Anne L’Huillier, l’une des trois lauréates du prix Nobel de physique de l’année dernière, ont participé à l’étude publiée dans la revue scientifique. Recherche en physique avancée.
Examen de la chambre à vide du microscope électronique à photoémission de Lund : l’équipe de recherche a utilisé un appareil similaire pour étudier les électrons libérés par un échantillon à l’aide d’impulsions laser. Crédit : Jan Vogelsang
Dans leurs expériences, l’équipe de recherche a combiné un type spécial de microscopie électronique connue sous le nom de microscopie électronique à photoémission (PEEM) avec la technologie de la physique attoseconde. Les scientifiques utilisent des impulsions lumineuses de très courte durée pour exciter les électrons et enregistrer leur comportement ultérieur. « Le processus ressemble beaucoup à un flash capturant un mouvement rapide en photographie », a expliqué Vogelsang. Une attoseconde est incroyablement courte : seulement un milliardième de milliardième de seconde.
Combiner des techniques avancées pour une précision améliorée
Comme le rapporte l’équipe, des expériences similaires n’avaient jusqu’à présent pas réussi à atteindre l’objectif temporel. précision nécessaire pour suivre le mouvement des électrons. Les minuscules particules élémentaires tournent beaucoup plus vite que les noyaux atomiques plus gros et plus lourds. Dans la présente étude, cependant, les scientifiques ont pu combiner les deux techniques technologiquement exigeantes, la microscopie électronique à photoémission et la microscopie attoseconde, sans compromettre ni la résolution spatiale ni temporelle. « Nous avons enfin atteint le point où nous pouvons utiliser des impulsions attosecondes pour étudier en détail l’interaction de la lumière et de la matière au niveau atomique et dans les nanostructures », a déclaré Vogelsang.
Percées technologiques et recherches futures
L’un des facteurs qui ont rendu ces progrès possibles a été l’utilisation d’une source lumineuse générant une quantité particulièrement élevée d’éclairs attosecondes par seconde – dans ce cas, 200 000 impulsions lumineuses par seconde. Chaque éclair libérait en moyenne un électron de la surface du cristal, permettant aux chercheurs d’étudier leur comportement sans qu’ils ne s’influencent mutuellement. « Plus vous générez d’impulsions par seconde, plus il est facile d’extraire un petit signal de mesure d’un ensemble de données », a expliqué le physicien.
Le laboratoire d’Anne L’Huillier à l’Université de Lund (Suède), où ont été réalisées les expériences de la présente étude, est l’un des rares laboratoires de recherche au monde disposant de l’équipement technologique nécessaire à de telles expériences. Vogelsang, qui a été chercheur postdoctoral à l’université de Lund de 2017 à 2020, est actuellement en train de créer un laboratoire expérimental similaire à l’université d’Oldenbourg. À l’avenir, les deux équipes prévoient de poursuivre leurs recherches et d’explorer le comportement des électrons dans divers matériaux et nanostructures.
Vogelsang dirige le groupe de recherche en microscopie attoseconde à l’Université d’Oldenbourg depuis 2022. Le groupe est financé par le prestigieux programme Emmy Noether de la Fondation allemande pour la recherche.
