Instantanés de la photoinjection —

Une impulsion laser frappe un électron dans un solide. S’il reçoit suffisamment d’énergie de l’onde lumineuse, il peut alors se déplacer librement à travers un solide. Ce phénomène, que les scientifiques explorent depuis les débuts de la mécanique quantique, s’appelle la photoinjection. Il reste des questions ouvertes sur la façon dont les processus pertinents se déroulent dans le temps. Les physiciens laser de l’équipe attoworld du LMU et de l’Institut Max Planck d’optique quantique viennent d’observer directement comment les propriétés optiques du silicium et du dioxyde de silicium évoluent pendant les premières femtosecondes (millionièmes de milliardième de seconde) après la photoinjection avec une forte impulsion laser.

Cette physique de la photoinjection est relativement simple lorsqu’il s’agit de l’effet photoélectrique expliqué par Albert Einstein. Ici, un électron absorbe un seul photon qui a suffisamment d’énergie pour libérer l’électron d’un potentiel qui contraint son mouvement. Cela devient plus compliqué lorsqu’aucun photon de l’onde lumineuse n’a assez d’énergie pour le faire. Dans ce cas, les électrons liés peuvent devenir libres en absorbant plus d’un photon à la fois ou par effet tunnel quantique. Ce sont des processus non linéaires qui ne sont efficaces que lorsque le champ électrique est fort, ce qui signifie que seule la partie centrale d’une impulsion laser peut les piloter efficacement.

Avec les outils de la science des attosecondes, il est possible de produire la plupart des porteurs de charge en un seul demi-cycle d’une impulsion lumineuse, augmentant la conductivité d’un solide de plusieurs ordres de grandeur en quelques femtosecondes. Les physiciens laser de l’équipe attoworld du LMU et de l’Institut Max Planck d’optique quantique ont étudié la rapidité avec laquelle les solides modifient leurs propriétés optiques après une photoinjection ultrarapide. Pour ce faire, ils ont envoyé deux impulsions de quelques cycles à travers un échantillon mince : une impulsion de pompe intense qui a créé des porteurs de charge et une faible impulsion de test qui a interagi avec eux.

Comme la photoinjection était confinée à un intervalle de temps inférieur à un demi-cycle du champ de test, il a été possible d’observer comment les porteurs de charge interagissaient avec le champ de test pendant les premières femtosecondes après leur apparition. Cette information a été codée dans les distorsions que la photoinjection a imprimées sur le champ électrique dépendant du temps de l’impulsion de test. Les scientifiques ont mesuré ces distorsions à l’aide d’une nouvelle technique d’échantillonnage de champ optique, et ils ont répété leurs mesures pendant de nombreux délais entre les deux impulsions.

La technique innovante de mesure de pompe-sonde résolue en champ optique donne désormais à l’équipe d’attoworld un accès direct aux courants électriques entraînés par la lumière pendant et après la photoinjection. “Le résultat le plus important est que nous savons maintenant comment réaliser et analyser de telles expériences et que nous avons effectivement vu le mouvement des électrons induit par la lumière comme personne ne pouvait le faire auparavant”, déclare Vladislav Yakovlev, dernier auteur de l’étude. “Nous avons été surpris de ne voir aucun signe clair de formation de quasi-particules”, explique encore Yakovlev. “Cela signifie que, dans ces mesures particulières, les mesures de physique à plusieurs corps n’ont pas eu beaucoup d’influence sur la façon dont la conductivité du milieu s’est accumulée après la photoinjection, mais nous pourrions voir une physique plus sophistiquée à l’avenir.”

Toute l’électronique moderne est basée sur le contrôle du flux de porteurs de charge en augmentant et en diminuant rapidement leur capacité à se déplacer dans les circuits. Les recherches de l’équipe attoworld visent à atteindre les limites de vitesse ultimes de ce contrôle en utilisant la lumière. Les nouvelles découvertes pourraient éventuellement aider à réaliser le futur traitement du signal dans la gamme des pétahertz, rendant possible ce que l’on appelle l’électronique à ondes lumineuses. Cela accélérerait l’électronique d’aujourd’hui d’environ 100 000 fois. “Je dirais que nous n’avons fait qu’effleurer la surface de ce que peuvent faire les mesures résolues sur le terrain par pompe-sonde. Forts de notre expérience et de nos connaissances, d’autres chercheurs peuvent désormais utiliser notre approche pour répondre à leurs questions”, est convaincu Yakovlev.