La lumière térahertz contrôle et caractérise les électrons dans l’espace et le temps

Des scientifiques de l’Université de Constance en Allemagne ont perfectionné la microscopie électronique ultrarapide jusqu’à une résolution temporelle sans précédent. Rapport dans Avancées scientifiques, l’équipe de recherche présente une méthode de contrôle, de compression et de caractérisation entièrement optiques des impulsions électroniques dans un microscope électronique à transmission utilisant la lumière térahertz. De plus, les chercheurs ont découvert d’importantes anticorrélations dans le domaine temporel pour les états à deux et trois électrons, fournissant ainsi un aperçu plus approfondi de la physique quantique des électrons libres.

Contexte et défis

La microscopie électronique ultrarapide est une technique de pointe qui combine la résolution spatiale de la microscopie électronique traditionnelle avec la résolution temporelle des impulsions laser femtosecondes ultrarapides. Cette puissante combinaison permet aux chercheurs d’observer les atomes et les électrons en mouvement, capturant ainsi les processus dynamiques dans les matériaux avec une clarté inégalée. En visualisant ces événements rapides dans l’espace et le temps, les scientifiques peuvent mieux comprendre les mécanismes fondamentaux qui régissent les propriétés et les transitions des matériaux, contribuant ainsi à faire progresser des domaines de recherche tels que la nanotechnologie, l’optique, la science des matériaux et la physique quantique.

Bien que la microscopie électronique ultrarapide permette, en principe, l’observation des mouvements atomiques et électroniques à des échelles spatiales et temporelles fondamentales, la capture de ces dynamiques rapides reste un défi en raison des limitations de la durée des impulsions électroniques. Les impulsions électroniques standard actuelles, qui durent environ 200 femtosecondes, sont trop longues pour résoudre de nombreux processus réactionnels fondamentaux dans les matériaux et les molécules. Des impulsions dix fois plus courtes seraient nécessaires pour observer en temps réel les chemins de réaction de base et les mouvements atomiques collectifs, appelés modes phonons.

Génération d’impulsions électroniques ultracourtes

Aujourd’hui, l’équipe de Constance a introduit une approche révolutionnaire pour faire passer la résolution temporelle de la microscopie électronique à transmission de plusieurs centaines à plusieurs dizaines de femtosecondes. Les chercheurs utilisent un seul cycle optique de lumière térahertz pour manipuler les impulsions électroniques dans l’espace et dans le temps sur les dimensions de la lumière laser à cycle unique. Cette méthode préserve non seulement la résolution spatiale du microscope électronique, mais améliore également sa résolution temporelle pour permettre la visualisation des mouvements atomiques et potentiellement même électroniques à des échelles fondamentales.

“L’un des principaux défis de la microscopie électronique ultrarapide est la bande passante énergétique inévitable de la photoémission ultrarapide provenant d’une pointe d’aiguille déclenchée par laser. En raison de la dispersion du vide pour les électrons non relativistes avec une masse au repos, cette bande passante énergétique conduit inévitablement à des phénomènes de mécanique quantique. dispersion des paquets d’ondes et allongement des impulsions dans le temps”, explique Peter Baum, chef du groupe Lumière et Matière à l’Université de Constance.

L’équipe a surmonté ce problème en utilisant le gradient de champ électrique des impulsions térahertz pour accélérer la partie arrière et décélérer la partie avant de la fonction d’onde électronique, ce qui a entraîné une compression significative des impulsions dans le spécimen. En raison de l’espace disponible limité à l’intérieur du microscope, l’équipe a réalisé ce contrôle en utilisant un guide d’onde métallique à plaques parallèles pour générer les interactions champ-électron de sous-cycle nécessaires avec une homogénéité spatiale suffisante et des aberrations minimisées.

“Un aspect clé de notre approche réside dans les champs électriques et magnétiques spéciaux générés dans le guide d’ondes. En concevant un guide d’ondes qui crée une onde térahertz stationnaire avec un contrôle de phase précis, nous pouvons amplifier les champs électriques tout en annulant les champs magnétiques indésirables. Cette configuration permet pour l’accélération et la décélération des impulsions électroniques sans introduire d’aberrations spatiales”, résume Joel Kuttruff, Ph.D. étudiant qui a conçu l’expérience.

Grâce à cette idée, l’équipe a réussi à compresser leurs impulsions électroniques de plus de 200 femtosecondes à seulement 19 femtosecondes. Cette avancée favorise la résolution temporelle de la microscopie électronique dans le domaine de la dynamique atomique fondamentale et des chemins de réaction.

“Même avec une résolution temporelle améliorée, la résolution spatiale du microscope reste pratiquement sans compromis”, explique Baum. Dans les expériences, des images au microscope et des diagrammes de diffraction de nanoparticules d’or et de cristaux de silicium démontrent ces capacités d’imagerie claires et précises à une résolution sans précédent dans le domaine temporel.

Corrélations dans les états multiélectroniques

Dans une première application de leurs nouvelles capacités, les chercheurs ont mesuré des états à deux et trois électrons et ont découvert d’importantes anticorrélations dans le domaine temporel, fournissant ainsi un aperçu plus approfondi des interactions et de la dynamique des systèmes multiélectroniques.

“Quand un électron arrive tôt, l’autre arrive tard, et vice versa, créant une séparation temporelle claire entre les deux”, explique David Nabben, chercheur postdoctoral au sein de l’équipe. “Cette anti-corrélation est le résultat des forces coulombiennes mutuelles et de la dispersion des paquets d’ondes lors de la propagation en espace libre.”

La capacité de mesurer des électrons doubles ou triples et leurs corrélations dans le domaine temporel est essentielle pour faire progresser notre compréhension de la mécanique quantique dans le domaine des fluctuations et du bruit.

“En contrôlant et en observant avec précision les électrons libres et leurs interactions mutuelles, nous préparons les bases de recherches futures visant à étudier les phénomènes quantiques fondamentaux, tels que l’appariement et l’intrication des électrons, avec des détails sans précédent”, explique Baum, décrivant l’impact de ces travaux. “Cette capacité, associée à notre nouveau régime de résolution temporelle, mènera potentiellement à de nouvelles technologies quantiques et améliorera notre connaissance des comportements des matériaux à l’échelle atomique.”