De retour sur les ondes

Une nouvelle approche pour mesurer les états quantiques des électrons se concentre sur la fin de leur évasion

(de gauche à droite) Shaked Rozen, le docteur Barry Bruner, le professeur Nirit Dudovich, Doron Azoury, le docteur Michael Krüger et Omer Kneller

L’un des phénomènes de mécanique quantique les plus fondamentaux se produit quand de la lumière rencontre de la matière, lui enlevant un électron. Pour les physiciens, ce processus – la photoémission – peut être utilisé comme une fenêtre sur le monde quantique : il projette l’état quantique de la matière sur des électrons libres ce qui permet de mesurer cet état. La photoémission est aussi l’un des phénomènes les plus rapides de la nature – seulement quelques dizaines ou centaines d’attosecondes, c’est-à-dire quelques quintillions de secondes, donc tenter de le mesurer directement est très complexe. Le professeur Nirit Dudovich et son équipe de l’Institut Weizmann des Sciences ont récemment démontré une méthode « inversée » pour étudier les propriétés quantiques des électrons libérés.

« La plupart des physiciens examinent l’état quantique de la matière en éjectant l’électron grâce à un photon énergétique. Mais cette approche masque de nombreuses informations, » dit le professeur Dudovich, du département de physique des systèmes complexes. « Nous avons complètement retourné cet ordre des choses en utilisant un processus appelé photo-recombinaison. Quand les autres chercheurs mesurent un électron relâché par un photon, nous mesurons un photon émis par l’électron lors de sa collision avec l’atome lorsque les deux se réunissent. Les deux méthodes fonctionnent, mais il s’est avéré que la capacité de mesurer le photon émis – en fait, une impulsion lumineuse très courte – donne accès à des informations jusqu’ici inaccessibles. » L’état quantique de la matière est imprimé dans les propriétés de l’onde de l’impulsion émise dans un temps ultracourt, et c’est ce que cherchaient le professeur Dudovich et son équipe.

Le laboratoire du professeur Dudovich est exclusivement conçu pour ce type de recherche, elle y a développé des techniques de mesure avancées qui permettent d’étudier les phénomènes ultrarapides avec une résolution d’une attoseconde (une attoseconde représente un milliardième de milliardième de seconde). Le professeur Dudovich et son équipe ont cherché une façon de résoudre les propriétés ondulatoires des impulsions de lumières à l’échelle de l’attoseconde. Ces propriétés sont déterminées par la longueur d’onde, l’amplitude et la phase.

Contrairement à la méthode classique d’observation des électrons alors que ceux-ci quittent l’atome (a) quand ils sont éjectés par de l’énergie lumineuse (flèche violette), la nouvelle méthode enregistre l’émission de lumière quand l’électron se recombine avec l’atome (b)

Les mesures de phase utilisent généralement un interféromètre : la plupart des laboratoires de physique optique possèdent un interféromètre optique. Un interféromètre, comme son nom l’indique, analyse les ondes qui interfèrent les unes avec les autres – par exemple, des ondes lumineuses ou chargées en particules – et utilise la forme des interférences pour révéler la nature de l’onde produite par le phénomène quantique. Le professeur Dudovich explique que, comme les vaguelettes d’une piscine – qui peuvent être organisées ou désordonnées – les formes d’interférence des photons ou des électrons peuvent être enregistrés et analysés afin de révéler leurs phases individuelles et la façon dont elles sont organisées. La capacité de résoudre les phases de la lumière ou d’autres ondes de sources variées peut ensuite révéler de nouveaux aspects de la structure de la matière quantique.

Il y a environ deux ans, Doron Azoury, une des élèves du professeur Dudovich, l’a appelée avec enthousiasme. Un signal inattendu, apparu pendant un test de calibration de routine, a révélé un faible signal d’interférence entre deux impulsions attosecondes. Grâce à cette découverte accidentelle, l’équipe a beaucoup amélioré son installation expérimentale jusqu’à obtenir une précision d’une attoseconde de leur interféromètre.

C’était vraiment une expérience très excitante, savoir que l’on est capable de mesurer directement des effets physiques si fondamentaux

En continuant ses investigations, l’équipe a compris que l’interférence qu’ils observaient était la signature via photo-recombinaison des électrons se réunissant avec leur atome. Ils ont réalisé que cette méthode était si précise qu’elle pouvait être utilisé pour observer mais également pour mesurer cette réunification. Le professeur Dudovich, Doron Azoury et deux membres de l’équipe, Michael Krüger et Omer Kneller, ont conçu de nouvelles expériences pour explorer les propriétés des ondes du processus de photoémission. Les résultats d’une des installations, récemment publiés dans Nature Photonics, montrent que les mesures de phases utilisées dans leur laboratoire résolvent entièrement le processus de photoémission.

« Ces phases ont été calculées – vous pouvez les trouver dans des ouvrages. Mais c’est la première fois qu’elles ont été mesurées directement d’une façon très précise. Nous les avons mesurées avec une précision d’une attoseconde et nos mesures collent parfaitement aux calculs. C’était vraiment une expérience très excitante, savoir que l’on est capable de mesurer directement des effets physiques si fondamentaux. Nous espérons que nos résultats seront un tremplin pour révéler de nouveaux phénomènes ultrarapides dans des systèmes plus complexes, » dit le professeur Dudovich.

Les recherches du professeur Nirit Dudovich sont financées par la Bourse pour la Recherche Innovante Helen et Martin Kimmel ; le Centre de Photonique Crown ; le Laboratoire de Recherche en Physique des Systèmes Complexes Jay Smith et Laura Rapp ; la Bourse pour la Recherche Rosa et Emilio Segre ; l’Institution caritative de la famille Wolfson ; le Fonds pour la Recherche Jacques et Charlotte Wolf ; et la succession Raymond Lapon. Le professeur Dudovich est détentrice de la chaire Robin Chemers Neustein.