Les physiciens mesurent et contrôlent la libération d’électrons des métaux dans la gamme attoseconde

La lumière est capable de libérer des électrons des surfaces métalliques. Cette observation avait déjà été faite dans la première moitié du XIXe siècle par Alexandre Edmond Becquerel et confirmée par la suite dans diverses expériences, entre autres par Heinrich Hertz et Wilhelm Hallwachs. Comme l’effet photoélectrique ne pouvait pas être concilié avec la théorie des ondes lumineuses, Albert Einstein est arrivé à la conclusion que la lumière devait être constituée non seulement d’ondes, mais aussi de particules. Il a jeté les bases de la mécanique quantique.

Une lumière laser puissante permet aux électrons de tunneliser

Avec le développement de la technologie laser, la recherche sur l’effet photoélectrique a pris un nouvel élan. “Aujourd’hui, nous pouvons produire des impulsions laser extrêmement fortes et ultracourtes dans une grande variété de couleurs spectrales”, explique le professeur Peter Hommelhoff, président de la physique des lasers au département de physique de la FAU. “Cela nous a inspirés pour capturer et contrôler la durée et l’intensité de la libération d’électrons des métaux avec une plus grande précision.” Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont pu déterminer précisément la dynamique des électrons induits par laser que dans les gaz, avec une précision de quelques attosecondes. La dynamique quantique et les fenêtres temporelles d’émission n’ont pas encore été mesurées sur les solides.

C’est exactement ce que les chercheurs de la FAU, de l’Université de Rostock et de l’Université de Constance ont réussi à faire pour la première fois. Ils ont utilisé une stratégie spéciale pour cela : au lieu d’une simple impulsion laser forte, qui émet les électrons d’une pointe pointue en tungstène, ils ont également utilisé un deuxième laser plus faible avec une fréquence deux fois supérieure. “En principe, il faut savoir qu’avec une lumière laser très forte, les photons individuels ne sont plus responsables de la libération des électrons, mais plutôt du champ électrique du laser”, explique le Dr Philip Dienstbier, chercheur associé à Peter Président de Hommelhoff et auteur principal de l’étude. “Les électrons traversent ensuite l’interface métallique dans le vide.” En superposant délibérément les deux ondes lumineuses, les physiciens peuvent contrôler la forme et l’intensité du champ laser – et donc aussi l’émission des électrons.

Circuits un million de fois plus rapides

Dans l’expérience, les chercheurs ont pu déterminer la durée du flux d’électrons à 30 attosecondes – trente milliardièmes de milliardième de seconde. Cette limitation ultra-précise de la fenêtre temporelle d’émission pourrait faire progresser la recherche fondamentale et applicative dans la même mesure. “Le déphasage des deux impulsions laser nous permet de mieux comprendre le processus tunnel et le mouvement ultérieur de l’électron dans le champ laser”, explique Philip Dienstbier. “Cela permet de nouvelles connaissances en mécanique quantique à la fois sur l’émission du corps à l’état solide et sur les champs lumineux utilisés.”

Le domaine d’application le plus important est l’électronique pilotée par champ lumineux : avec la méthode bicolore proposée, la lumière laser peut être modulée de telle sorte qu’une séquence exactement définie d’impulsions d’électrons et donc de signaux électriques puisse être générée. Dienstbier : “Dans un avenir prévisible, il sera possible d’intégrer les composants de notre configuration de test – sources lumineuses, pointe métallique, détecteur d’électrons – dans une micropuce.” Des circuits complexes avec des bandes passantes allant jusqu’à la gamme des pétahertz sont alors concevables, ce qui serait presque un million de fois plus rapide que l’électronique actuelle.