Des électrons à la limite de la vitesse

La vitesse n'est peut-être pas magique, mais elle est à la base de technologies qui ressemblent souvent à de la magie. Si les ordinateurs modernes sont si performants, c'est parce que de minuscules éléments de commutation y contr?lent des courants électriques en une fraction de milliardième de seconde. Quant aux flux de données incroyables d'Internet, ils ne sont possibles que parce que des modulateurs électro-optiques extrêmement rapides envoient des informations sous forme d'impulsions lumineuses très courtes à travers des c?bles en fibre optique.

Aujourd'hui déjà, les circuits électroniques fonctionnent de manière routinière à des fréquences allant de plusieurs gigahertz (un milliard d'oscillations par seconde) au térahertz (un billion d'oscillations). La prochaine génération d'électronique devra donc, à plus ou moins long terme, s'aventurer dans la zone pétahertz, mille fois plus rapide. Mais on ignore encore largement si et comment les électrons peuvent être contr?lés à une telle vitesse. Une équipe dirigée par la professeure de l'ETH Ursula Keller a étudié dans le cadre d'une expérience fondamentale la manière dont les électrons réagissent aux champs pétahertz.

Dans leur expérience, Keller et ses collaborateurs ont soumis un minuscule morceau de diamant de seulement 50 nanomètres d'épaisseur à une impulsion laser de quelques femtosecondes (c'est-à-dire le millionième d'un milliardième de seconde) dans le domaine infrarouge. Le champ électrique de cette lumière laser, dont la fréquence est d'environ un demi-pétahertz, a oscillé cinq fois pendant ce court laps de temps et a ainsi stimulé les électrons. En principe, l'effet des champs électriques sur les électrons dans les matériaux transparents peut être mesuré indirectement en envoyant de la lumière à travers le matériau et en observant dans quelle mesure elle est absorbée par celui-ci. Alors que de telles mesures sont simples pour les champs électriques constants, les champs à oscillation extrêmement rapide d'un faisceau laser posent un problème difficile aux chercheurs. En principe, la lumière utilisée pour mesurer l'absorption ne devrait être allumée que pendant une fraction de la période d'oscillation du champ électrique. Mais cela signifie qu'une telle impulsion de mesure doit durer moins d'une femtoseconde. De plus, il faut savoir exactement dans quelle phase d'oscillation se trouve le champ électrique de l'impulsion laser lorsque l'impulsion de mesure est activée.

Une pierre angulaire des années quatre-vingt-dix

L'équipe de Keller a posé la première pierre de la solution à ces problèmes dès la fin des années quatre-vingt-dix. "? l'époque, nous avons montré pour la première fois comment stabiliser précisément la phase d'oscillation d'une impulsion laser femtoseconde", explique Keller, "ce qui est à son tour la condition préalable à la génération d'impulsions laser attosecondes". Cette technique a été affinée depuis et permet aujourd'hui aux chercheurs de produire des impulsions lumineuses dans le domaine de l'ultraviolet extrême, avec des longueurs d'onde d'environ 30 nanomètres, qui ne durent qu'une fraction de femtoseconde et qui sont en outre parfaitement synchronisées avec la phase d'oscillation d'une impulsion infrarouge. Dans leurs dernières expériences, les chercheurs de l'ETH ont utilisé un tel couple d'impulsions laser pour exciter les électrons dans le diamant avec le champ électrique de l'impulsion infrarouge et pour mesurer simultanément les modifications d'absorption qui en résultent avec l'impulsion ultraviolette attoseconde. Ils ont effectivement vu que celle-ci changeait de manière caractéristique au rythme du champ électrique oscillant de l'impulsion laser infrarouge.

Mais pour comprendre en détail ce qui se passait à l'intérieur du diamant, un travail de détective était encore nécessaire. Tout d'abord, les chercheurs de l'équipe de Katsuhiro Yabana à l'Université de Tsukuba au Japon, en collaboration avec les physiciens de l'ETH, ont simulé la réaction des électrons du diamant à l'impulsion infrarouge à l'aide d'un superordinateur et ont trouvé le même comportement d'absorption que celui mesuré à ETH Zurich. Ces simulations contenaient l'interaction complexe des électrons dans le réseau cristallin du diamant, qui se traduit par une multitude de bandes dites d'énergie dans lesquelles les électrons peuvent se trouver. "Mais l'avantage des simulations par rapport à l'expérience est que l'on peut activer ou désactiver différents de ces effets qui se produisent dans le diamant réel", explique Matteo Lucchini, post-doctorant dans le groupe de travail de Keller, "de sorte que nous avons finalement pu ramener le comportement d'absorption caractéristique du diamant à seulement deux bandes d'énergie".

Limite de vitesse dans le domaine du pétahertz

Cette constatation a finalement été décisive pour l'interprétation des données de mesure. Les chercheurs ont pu en déduire que l'effet dynamique de Franz Keldysh était responsable de l'absorption dans le diamant sous l'influence de l'impulsion laser infrarouge. Alors que l'effet Franz-Keldysh est connu et bien compris depuis des années pour les champs électriques statiques, son pendant dynamique pour les champs oscillants extrêmement rapides n'avait encore jamais été observé. "Le fait que nous puissions toujours voir cet effet, même aux fréquences d'excitation pétahertz, nous a confirmé que les électrons pouvaient effectivement être influencés à la limite de vitesse du champ laser pétahertz", explique Lukas Gallmann, Senior Scientist dans le laboratoire de Keller.

L'interaction dynamique est également d'un intérêt fondamental, car elle se produit dans un domaine qui n'est ni clairement dominé par la mécanique quantique ni clairement dominé par l'interaction classique lumière-matière. Cela signifie que les effets physiques dans lesquels la lumière entre en jeu sous la forme de quanta d'énergie (photons) jouent un r?le, tout comme ceux dans lesquels elle représente un champ électromagnétique classique. Le travail qui vient d'être publié a montré que la réaction du matériau au champ optique est dominée par le mouvement des électrons dans une seule bande d'énergie plut?t que par des transitions entre différentes bandes. Dans des expériences similaires, on ne savait pas jusqu'à présent ce qui se passait exactement, mais l'expérience de l'ETH vient de clarifier la question.

Certes, le chemin est encore long jusqu'à l'électronique pétahertz, et d'autres effets physiques pourraient en outre limiter les performances. Gallmann souligne toutefois que les nouveaux résultats sont pertinents à plus d'un titre, car ils montrent qu'il est encore possible de contr?ler et de commuter des électrons avec des champs électriques à des fréquences aussi élevées. Lucchini ajoute : "Le diamant est un matériau important qui trouve des applications dans une multitude de technologies allant de l'optomécanique aux biocapteurs. Une compréhension précise de son interaction avec les champs lumineux, telle que nous l'avons obtenue, est donc fondamentale".