Franges d'interférence dépendantes du temps issues de l'effet Kapitza Dirac ultrarapide. Un paquet d’ondes électroniques est exposé à deux impulsions laser ultracourtes se propageant de manière contrariante. L’intervalle de temps de l’arrière vers l’avant est de 10 pico secondes Crédit : Université Goethe
Effet Kapitza-Dirac utilisé pour montrer l'évolution temporelle des ondes électroniques.
Ce fut l’une des plus grandes surprises de l’histoire des sciences : aux débuts de la physique quantique, il y a environ 100 ans, les chercheurs ont découvert que les particules qui composent notre matière se comportent toujours comme des ondes. Tout comme la lumière peut se disperser au niveau d’une double fente et produire des motifs de diffusion, les électrons peuvent également présenter des effets d’interférence. En 1933, les deux théoriciens Piotr Kapitza et Paul Dirac ont prouvé qu'un faisceau d'électrons est même diffracté par une onde lumineuse stationnaire (en raison des propriétés des particules) et qu'il faut s'attendre à des effets d'interférence dus aux propriétés de l'onde.
Visualisation de l'effet Kapitza-Dirac
Une équipe germano-chinoise dirigée par le professeur Reinhard Dörner de l'université Goethe de Francfort a réussi à utiliser cet effet Kapitza-Dirac pour visualiser même l'évolution temporelle des ondes électroniques, connue sous le nom de phase mécanique quantique des électrons. Les chercheurs ont maintenant présenté leurs résultats dans la revue Science.
«C'est un ancien doctorant de notre institut, Alexander Hartung, qui a construit l'appareil expérimental», explique Dörner. « Après son départ, Kang Lin, un boursier d'Alexander von Humboldt qui a travaillé dans l'équipe de Francfort pendant 4 ans, a pu l'utiliser pour mesurer l'effet Kapitza-Dirac en fonction du temps. » Pour ce faire, il était également nécessaire de développer davantage la description théorique, car Kapitza et Dirac ne prenaient pas spécifiquement en compte l’évolution temporelle de la phase électronique à cette époque.
Techniques expérimentales avancées
Dans leur expérience, les scientifiques de Francfort ont tout d'abord tiré deux impulsions laser ultracourtes provenant de directions opposées sur un gaz xénon. Au point de croisement, ces impulsions femtosecondes – une femtoseconde équivaut à un quadrillionième (un millionième d’un milliardième) de seconde – ont produit un champ lumineux ultra-puissant pendant des fractions de seconde. Cela a arraché des électrons aux atomes de xénon, c'est-à-dire les a ionisés. Très peu de temps après, les physiciens ont tiré une deuxième paire de courtes impulsions laser sur les électrons ainsi libérés, qui ont également formé une onde stationnaire au centre. Ces impulsions étaient légèrement plus faibles et n’ont provoqué aucune ionisation supplémentaire. Ils étaient désormais capables d'interagir avec les électrons libres, ce qui pouvait être observé à l'aide d'un microscope à réaction COLTRIMS développé à Francfort.
Reinhard Dörner (de gauche à droite), Markus Schöffler, Sina Jacob, Maksim Kunitski, Till Jahnke, Alexander Hartung, Sebastian Eckart. Crédit : Université Goethe
« Au point d'interaction, trois choses peuvent se produire », explique Dörner. « Soit l'électron n'interagit pas avec la lumière, soit il est diffusé vers la gauche ou vers la droite. » Selon les lois de la physique quantique, ces trois possibilités s'additionnent pour former une certaine probabilité qui se reflète dans la fonction d'onde des électrons : l'espace nuageux dans lequel l'électron est susceptible de se trouver – avec une certaine probabilité – s'effondre. , pour ainsi dire, en tranches tridimensionnelles. Ici, l'évolution temporelle de la fonction d'onde et de sa phase dépend du temps qui s'écoule entre l'ionisation et le moment de l'impact de la deuxième paire d'impulsions laser.
« Cela ouvre la voie à de nombreuses applications passionnantes en physique quantique. Espérons que cela nous aidera à suivre comment les électrons se transforment de particules quantiques en particules tout à fait normales dans les plus brefs délais. Nous prévoyons déjà de l'utiliser pour en savoir plus sur l'intrication entre différentes particules qu'Einstein a qualifiée d'« effrayante » », explique Dörner. Comme c’est souvent le cas en science, il a également été utile de mettre à l’épreuve encore et encore des théories établies de longue date.
