Des physiciens découvrent un moyen d’imprimer une forme géométrique de chiralité jusqu’alors inédite sur les électrons

Avez-vous déjà placé la paume de votre main gauche sur le dos de votre main droite de telle sorte que tous les doigts pointent dans la même direction ? Si c’est le cas, vous savez probablement que votre pouce gauche ne touchera pas son homologue droit. Ni les rotations, ni les translation, ni leurs combinaisons ne peuvent transformer une main gauche en main droite et vice versa. Cette caractéristique est appelée chiralité.

Des scientifiques de l’Université de Constance ont réussi à imprimer une telle chiralité tridimensionnelle sur la fonction d’onde d’un seul électron. Ils ont utilisé la lumière laser pour façonner l’onde de matière de l’électron en bobines de masse et de charge gauches ou droites. De telles particules élémentaires artificielles avec des géométries chirales autres que leur spin intrinsèque ont des implications pour la physique fondamentale mais peuvent également être utiles pour toute une série d’applications, telles que l’optique quantique, la physique des particules ou la microscopie électronique.

« Nous ouvrons de nouvelles possibilités pour la recherche scientifique qui n’avaient pas été envisagées auparavant », déclare Peter Baum, auteur correspondant de l’étude publiée dans Science et directeur du groupe de recherche Lumière et Matière à l’Université de Constance.

Chiralité des particules simples et composites

Les objets chiraux jouent un rôle crucial dans la nature et la technologie. Dans le domaine des particules élémentaires, l’un des phénomènes chiraux les plus importants est le spin, qui est souvent comparé à l’autorotation d’une particule, mais qui est en fait une propriété purement quantique sans équivalent classique.

Un électron, par exemple, possède un spin égal à un demi et existe donc souvent dans deux états potentiels : un droitier et un gaucher. Cet aspect fondamental de la mécanique quantique donne naissance à de nombreux phénomènes importants du monde réel, comme la quasi-totalité des phénomènes magnétiques ou le tableau périodique des éléments. Le spin de l’électron est également essentiel au développement de technologies avancées telles que les ordinateurs quantiques ou les supraconducteurs.

Il existe cependant des objets chiraux composites dans lesquels aucun des constituants n’est chiral par lui-même. Notre main, par exemple, est composée d’atomes sans chiralité particulière, mais elle est néanmoins un objet chiral, comme nous l’avons appris précédemment. Il en va de même pour de nombreuses molécules dans lesquelles la chiralité apparaît sans qu’aucun constituant chiral ne soit nécessaire.

Le fait qu’une molécule soit dans une géométrie gauchère ou droite peut faire la différence entre un médicament curatif et une substance nocive : les deux versions peuvent avoir des effets biologiques très différents en raison de leur géométrie tridimensionnelle différente.

En science des matériaux et en nanophotonique, la chiralité influence le comportement des matériaux magnétiques et des métamatériaux, conduisant à des phénomènes tels que les isolants topologiques ou le dichroïsme chiral. La capacité de contrôler et de manipuler la chiralité des matériaux composites composés de constituants achiraux offre ainsi un riche outil pour ajuster les propriétés des matériaux en fonction des besoins des applications.

Comment induire une chiralité géométrique dans un seul électron

Est-il possible de transformer un seul électron en un objet tridimensionnel chiral en termes de charge et de masse ? En d’autres termes : la chiralité peut-elle être induite dans un électron sans avoir besoin de spin ? Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont fait que déplacer les électrons le long de trajectoires en spirale ou créer des faisceaux de tourbillons d’électrons dans lesquels la phase de l’onde de Broglie tourne autour du centre du faisceau à charge et masse constantes.

En revanche, l’objet d’onde de matière chirale que les physiciens de Constance rapportent dans leur article a une onde de Broglie plate, mais les valeurs attendues de charge et de masse sont façonnées en une forme chirale.

Pour créer cet objet, ils ont utilisé un microscope électronique à transmission ultrarapide et l’ont combiné à la technologie laser. Les chercheurs ont d’abord généré des impulsions électroniques femtosecondes, puis les ont façonnées en motifs chiraux en interagissant avec des ondes laser modulées avec précision à l’aide de champs électriques en spirale.

Normalement, les électrons et les photons laser n’interagissent pas dans une telle expérience, car l’énergie et l’impulsion ne peuvent pas être conservées. Cependant, les membranes en nitrure de silicium, qui sont transparentes aux électrons mais modifient la phase de la lumière laser, ont facilité l’interaction dans l’expérience.

Les champs électriques en spirale de l’onde laser accélèrent ou décélèrent l’électron entrant autour du centre du faisceau, en fonction de la position azimutale. Plus tard dans le faisceau, les électrons accélérés ou décélérés finissent par se rattraper et la fonction d’onde se transforme en une bobine chirale de masse et de charge.

« Nous avons ensuite utilisé la microscopie électronique à attoseconde pour obtenir une mesure tomographique détaillée de la valeur attendue de l’électron, c’est-à-dire la probabilité d’être quelque part dans l’espace et le temps », explique Baum, expliquant la manière dont ils ont mesuré les formes générées. Des bobines simples ou doubles droites ou gauches sont apparues dans l’expérience. Ni le spin, ni le moment angulaire, ni les trajectoires en spirale n’étaient nécessaires pour produire cette chiralité purement géométrique.

Pour déterminer si l’interaction de bobines électroniques tridimensionnelles avec d’autres matériaux chiraux pouvait préserver la chiralité, les chercheurs ont placé des nanoparticules d’or avec des champs électromagnétiques chiraux dans leur microscope électronique et ont utilisé les bobines électroniques chirales pour mesurer la dynamique de diffusion. Selon que les chercheurs tiraient un électron gaucher sur un objet nanophotonique droitier ou l’inverse, les résultats montraient des phénomènes d’interférence rotationnelle constructifs ou destructeurs. Dans un sens, la chiralité globale n’a jamais disparu.

Un tout nouveau monde de possibilités

La capacité de transformer des électrons en bobines chirales de masse et de charge ouvre de nouvelles perspectives pour l’exploration scientifique et l’innovation technologique. Par exemple, les faisceaux d’électrons chiraux conçus devraient être utiles pour les pinces optiques électroniques chirales, les technologies de capteurs chiraux, la microscopie électronique quantique ou pour sonder et créer un mouvement de rotation dans des matériaux atomiques ou nanostructurés. En outre, ils contribueront à la physique générale des particules et à l’optique quantique.

« Bien que nous n’ayons jusqu’à présent modulé que l’électron, l’une des particules élémentaires les plus simples, la méthode est générale et applicable à presque toutes les particules ou ondes de matière. Quelles autres particules élémentaires ont ou peuvent avoir de telles formes chirales, et y a-t-il des conséquences cosmologiques possibles ? », explique Baum.

La prochaine étape des chercheurs consiste à utiliser leurs électrons chiraux dans l’imagerie électronique attoseconde et la microscopie à deux électrons, afin d’élucider davantage l’interaction complexe entre la lumière chirale et les ondes de matière chirales pour des applications dans les technologies futures.