Mesure de l'attoseconde sur des électrons dans des amas d'eau

Dans leurs expériences, les scientifiques ont étudié la manière dont les clusters d'eau sont ionisés par une courte impulsion laser dans le domaine de l'ultraviolet extrême. Pour ce faire, les clusters sont d'abord créés en pressant de la vapeur d'eau à haute pression à travers une minuscule buse. Les photons ultraviolets extrêmes de l'impulsion laser font ensuite en sorte, gr?ce à leur énergie, que l'un des électrons du cluster soit arraché. Il en résulte un défaut, également appelé "trou".

Après l'impact de l'impulsion, l'électron n'est toutefois pas libéré instantanément, mais avec un léger retard. L'importance de ce délai dépend de la manière dont le trou électronique se répartit sur les molécules de l'amas. "Jusqu'à présent, cette répartition du trou n'a pu être calculée que théoriquement, car le délai est beaucoup trop court pour pouvoir être mesuré par les méthodes de détection expérimentales habituelles", explique Xiaochun Gong, qui a supervisé l'expérience en tant que post-doctorant.

Concrètement, le délai ne dure que quelques attosecondes, soit quelques milliardièmes de milliardième de seconde. La brièveté d'une attoseconde peut être illustrée ainsi : Une seule seconde contient à peu près autant d'attosecondes que de secondes dans 32 milliards d'années.

Pour pouvoir mesurer les intervalles de temps extrêmement courts de quelques attosecondes, W?rner et ses collaborateurs ont divisé une impulsion laser infrarouge très intense en deux parties, dont l'une a été convertie en ultraviolet extrême par multiplication de la fréquence dans un gaz rare. Ils ont ensuite superposé les deux impulsions et les ont utilisées pour cibler les amas d'eau.

L'impulsion laser infrarouge a modifié l'énergie des électrons arrachés par l'impulsion laser ultraviolette. La phase d'oscillation de l'impulsion laser infrarouge pouvait alors être réglée très précisément à l'aide d'un interféromètre. Le nombre de processus d'ionisation, mesuré à l'aide de détecteurs, variait en fonction de la phase d'oscillation. A partir de ces mesures, les chercheurs ont finalement pu lire directement le délai de l'ionisation.

"Comme nous avons pu déterminer à l'aide d'un spectromètre de masse, lors de chaque processus d'ionisation, quelle était la taille du cluster d'eau initial, nous avons pu montrer que le délai dépendait de la taille du cluster", explique Saijoscha Heck, doctorant dans le groupe de travail de W?rner. Jusqu'à une taille de cluster de quatre molécules d'eau, le délai s'allonge régulièrement jusqu'à environ cent attosecondes. Mais à partir de cinq molécules d'eau, il reste pratiquement constant. Cela s'explique par le fait que les petits clusters présentent une symétrie élevée, ce qui permet au trou d'électron de se propager sur l'ensemble du cluster selon les règles de la mécanique quantique. En revanche, les grands clusters sont plut?t asymétriques et désordonnés, de sorte que le trou se localise sur quelques molécules d'eau.

"Avec ces mesures attosecondes, nous avons ouvert de toutes nouvelles possibilités de recherche", déclare W?rner. Il planifie déjà les prochaines expériences, au cours desquelles il veut étudier la dynamique du trou électronique à l'aide d'autres impulsions laser, avec une résolution à la fois spatiale et temporelle. W?rner espère notamment mieux comprendre comment les dommages causés par les radiations se produisent dans les tissus biologiques, l'ionisation de l'eau jouant un r?le prépondérant. Mais W?rner voit également de nombreuses possibilités d'application au-delà de la recherche sur la dynamique des électrons dans l'eau. Pour réaliser des composants électroniques plus rapides, il est par exemple indispensable de comprendre précisément l'extension spatiale des états des électrons et des trous ainsi que leur évolution dans le temps dans les semi-conducteurs. La nouvelle technique des chercheurs de l'ETH pourrait s'avérer extrêmement utile.