Une méthode interférométrique innovante révèle le moment de la photoémission d’un atome par un électron

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Selon le principe d’incertitude d’Heisenberg, il est impossible de connaître à la fois la position et la vitesse d’un électron à un moment donné. Cependant, une équipe de physiciens suédois vient de montrer que c’est possible – par la superposition (interférence) de deux courtes impulsions lumineuses de longueurs d’onde différentes.

Isinger et al ont documenté le moment incroyablement bref de l'émission de deux électrons dans un atome de néon. Crédit image : Marcus Isinger.

Isinger et al a documenté le moment incroyablement bref où deux électrons d’un atome de néon sont émis. Crédit image : Marcus Isinger.

Marcus Isinger, doctorant à l’Université de Lund, et ses co-auteurs ont déterminé le temps nécessaire à l’émission d’un électron à partir d’un atome de gaz noble, le néon.

Le résultat est de 20 attosecondes, soit 20 milliardièmes de milliardième de seconde.

“Lorsque la lumière frappe l’atome, les électrons absorbent l’énergie de la lumière. Un instant plus tard, les électrons sont libérés des pouvoirs de liaison de l’atome”, a déclaré Isinger.

“Ce phénomène, appelé photoionisation, est l’un des processus les plus fondamentaux de la physique et a été cartographié théoriquement pour la première fois par Albert Einstein, qui a reçu le prix Nobel de physique en 1921 pour cette découverte particulière.”

La photoionisation concerne l’interaction entre la lumière et la matière. Cette interaction est fondamentale pour la photosynthèse et la vie sur Terre – et permet aux physiciens d’étudier les atomes.

“Lorsque les atomes et les molécules subissent des réactions chimiques, ce sont les électrons qui font le gros du travail”, explique Isinger.

“Ils se regroupent et se déplacent pour permettre la création ou la destruction de nouvelles liaisons entre les molécules. Suivre un tel processus en temps réel est un peu le Saint Graal de la science. Nous nous en sommes maintenant rapprochés d’un pas de plus.”

Bien que le néon soit un atome relativement simple avec un total de 10 électrons, l’expérience a nécessité à la fois un chronométrage extrêmement minutieux, avec une précision de l’ordre de l’attoseconde, et une détection d’électrons très sensible, capable de distinguer des électrons dont la vitesse ne diffère que d’environ un millième d’attojoule.

Cette découverte confirme plusieurs années de travail théorique et montre que l’attophysique est prête à s’attaquer à des molécules plus complexes.

“Le fait de pouvoir observer comment les molécules échangent des électrons au cours d’une réaction chimique ouvre la porte à des types d’études totalement nouveaux sur un certain nombre de processus biologiques et chimiques fondamentaux”, a déclaré Isinger.

La recherche est publiée dans le journal Science.

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