Lorsqu’une impulsion laser intense frappe un électron stationnaire, celui-ci effectue un mouvement tremblant à la fréquence du champ lumineux. Cependant, ce mouvement s'éteint après l'impulsion et l'électron revient à son emplacement d'origine. Toutefois, si l'intensité du champ lumineux change le long de la trajectoire de l'électron, celui-ci crée un mouvement de dérive supplémentaire à chaque oscillation, qu'il conserve même après l'impulsion. L’intensité lumineuse spatiale agit comme une pente sur laquelle l’électron glisse.
Cet effet, connu depuis des décennies, est appelé accélération pondéromotrice. Cependant, en raison de la faible dépendance spatiale de l'intensité, même dans les faisceaux lumineux focalisés, cet effet de glissement induit par la lumière ne peut être clairement observé que pour des impulsions laser de longue durée avec de nombreuses oscillations du champ.
Dans une étude récente, des chercheurs ont démontré une accélération pondéromotrice prononcée lors d’une seule oscillation lumineuse. L’astuce cruciale a été l’utilisation de pointes d’aiguilles métalliques pointues, qui présentent une variation spatiale extrêmement forte de l’intensité lumineuse lorsqu’elles sont éclairées par la lumière laser. L'ouvrage est publié dans la revue Physique naturelle.
Des électrons rapides et des aiguilles tranchantes comme des rasoirs
Lors d'expériences, les électrons libérés par la lumière ont pu, pour la première fois, être attribués à des cycles individuels du champ lumineux. À cette fin, dans les laboratoires du groupe de recherche dirigé par le professeur Peter Hommelhoff de la chaire de physique des lasers de la FAU, des aiguilles en tungstène avec des pointes particulièrement pointues de seulement quelques nanomètres ont été produites à l'aide d'un procédé spécial et éclairées par des impulsions laser optiques contenant seulement environ trois oscillations de champ.
« En général, nous sommes particulièrement intéressés par les électrons rapides libérés par les nanospikes, que nous pouvons contrôler avec précision grâce à la forme d'onde de l'impulsion lumineuse », explique le Dr Jonas Heimerl, associé de recherche à la Chaire de physique des lasers.
« Pour ceux-ci, on sait que le mouvement pondéromoteur est complètement supprimé pour les pointes pointues. Étonnamment, c'est précisément dans le signal des électrons lents que nous avons découvert un motif de rayures prononcé et inconnu jusqu'alors. Nos expériences ont même révélé une amélioration des effets pondéromoteurs pour les électrons lents. »
Pour comparer avec les données expérimentales, le groupe de recherche dirigé par le professeur Thomas Fennel de l'Université de Rostock a mené des simulations numériques approfondies qui décrivent quantitativement l'effet d'accélération pondéromotrice dans une seule oscillation lumineuse et démontrent les implications considérables pour la caractérisation et le contrôle de la dynamique électronique ultrarapide.
« L'accélération pondéromotrice est généralement décrite comme un effet moyenné sur de nombreuses oscillations lumineuses. Un aspect fascinant de nos découvertes est que cela peut désormais être utilisé pour mesurer des processus sur l'échelle de temps d'une fraction d'oscillation lumineuse », explique Anne Herzig, doctorante dans le groupe de Fennel.
« Bien que la physique fondamentale des structures de bandes induites en champ proche puisse en principe être expliquée par la mécanique classique, elles ouvrent une nouvelle approche pour caractériser les effets quantiques du processus d'émission », ajoute Herzig.
Les connaissances acquises n’ont été possibles que grâce à l’excellente interaction entre l’expérience et la théorie et ont le potentiel d’élargir la compréhension fondamentale de la photoémission et de permettre de nouvelles applications en métrologie ultrarapide et en optoélectronique.
