La lumière ultraviolette extrême pilote les électrons en laboratoire

Lorsqu’on éclaire un atome, ses électrons réagissent. Au laser à électrons libres FERMI, à Trieste, en Italie, une équipe dirigée par Ulli Eichmann, de l’Institut Max-Born de Berlin, a montré qu’elle pouvait orienter cette réaction grâce à de la lumière ultraviolette extrême (XUV). En modifiant la phase des impulsions, les chercheurs ont déterminé si deux voies quantiques à l’intérieur d’un atome d’hélium se renforçaient ou s’annulaient. Ces travaux sont publiés dans Nature Photonics.

La mécanique quantique permet à un processus de se dérouler selon plusieurs trajectoires à la fois. Un électron peut atteindre le même état final par des voies différentes, qui s’additionnent ou s’annulent, un peu comme des ondes qui se chevauchent à la surface de l’eau. Les chercheurs ont créé deux voies concurrentes pour exciter un état lié de l’hélium, en utilisant une méthode appelée excitation Raman stimulée avec des impulsions XUV. Matthieu Génévriez, chercheur à l’UCLouvain et l’un des auteurs, décrit l’effet en termes simples : « c’est un peu comme si nous pouvions éjecter un électron d’un atome, puis le ramener chez lui grâce à la lumière ».

Les lasers visibles et infrarouges sont depuis des décennies les outils de référence pour ce type de sondage. La diffusion Raman stimulée et les techniques apparentées permettent déjà de suivre, avec ces longueurs d’onde, les réactions chimiques et les mouvements électroniques. Étendre ces méthodes à l’XUV, une région que l’équipe qualifie de défi de longue date, exigeait une source lumineuse que peu d’installations peuvent fournir. Selon Eichmann, l’expérience montre que ces méthodes « peuvent désormais être introduites dans l’ultraviolet extrême », ouvrant « de nouvelles possibilités d’imagerie et de manipulation de la matière avec une résolution spatiale sans précédent ».

Pour les chimistes et les spécialistes des matériaux, l’intérêt tient à la nature spécifique à chaque élément de cette lumière. Les photons XUV et les rayons X atteignent les électrons proches des noyaux atomiques, là où chaque élément chimique porte sa propre empreinte électronique. L’équipe estime que les concepts présentés ici pourraient à terme donner naissance à une nouvelle génération d’outils d’imagerie et de spectroscopie, capables de suivre les mouvements électroniques et les transformations chimiques aux plus petites échelles. Elle n’a publié aucun calendrier pour de tels instruments, et l’expérience est une démonstration de laboratoire menée uniquement sur de l’hélium.