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Shine light on an atom and its electrons respond. At the FERMI free-electron laser in Trieste, Italy, a team led by Ulli Eichmann of the Max Born Institute in Berlin has shown that it can steer that response with extreme ultraviolet light (XUV). By changing the phase of the pulses, the researchers decided whether two quantum routes inside a helium atom reinforced each other or cancelled out. The work is published in Nature Photonics.
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.
Quantum mechanics allows a process to happen along several paths at once. An electron can reach the same final state by different routes, and those routes either add up or cancel, much like overlapping ripples on the surface of water. The researchers created two competing routes to excite a bound state in helium, using a method called stimulated Raman excitation with XUV pulses. Matthieu Génévriez, a researcher at UCLouvain and one of the authors, describes the effect in plain terms: “it's a little bit as if we could eject an electron from an atom and then bring it back home with light.”
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 ».
Visible and infrared lasers have been the workhorses of this kind of probing for decades. Stimulated Raman scattering and related techniques already follow chemical reactions and electronic motion with those wavelengths. Extending them into the XUV, a region the team calls a long-standing challenge, required a light source few facilities can provide. Eichmann says the experiment shows the methods “can now be brought into the extreme ultraviolet,” opening “new possibilities for imaging and manipulating matter with unprecedented spatial resolution.”
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 ».
For chemists and materials scientists, the appeal lies in the element-specific nature of the light. XUV and X-ray photons reach electrons close to atomic nuclei, where each chemical element carries its own electronic fingerprint. The team believes the concepts shown here could eventually lead to a new generation of imaging and spectroscopy tools, able to track electronic motion and chemical transformations at the smallest scales. It has not published a timeline for such instruments, and the experiment is a laboratory demonstration carried out on helium alone.
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.