Caractérisation du dispositif expérimental. a) Schéma des étapes impliquées dans l’expérience. Une paire d'impulsions XUV (dessinées en violet) photoémet des électrons à partir d'un cristal de ZnO. Les électrons subissent le champ dynamique d’une impulsion laser NIR (dessinée en rouge) près de la surface pendant un temps d’attente variable. Le site d'émission des électrons, ainsi que leur énergie cinétique après interaction avec le champ NIR sont enregistrés à l'aide d'un microscope électronique à photoémission (PEEM). b) Diagramme énergétique de la surface de ZnO et du détecteur d'électrons, qui sont en contact électrique et ont ainsi leurs niveaux de Fermi alignés. c) Spectre optique des impulsions XUV utilisées pour photoémettre des électrons depuis la surface. L'encadré montre le modèle de photoémission linéaire généré par les impulsions XUV d'une surface de ZnO. Le champ de vision (FOV) de l’encart est de 180 µm. d) Mesure des états électroniques proches du niveau de Fermi de la surface ZnO. Elle a été réalisée à l'aide d'une lampe à décharge à l'hélium gazeux émettant une énergie photonique de 21,2 eV et d'un analyseur hémisphérique pour la détection d'électrons après photoémission. e) Spectre d'énergie cinétique des photoélectrons émis par une surface de ZnO en utilisant le spectre indiqué en (c). La section efficace d'émission dépendant de l'énergie des états Zn-3d et O-2p indiquée en (d) a été utilisée comme paramètre d'ajustement en combinaison avec le spectre optique indiqué en (c) pour reproduire le spectre modulé indiqué en bleu. La contribution à l'émission de Zn-3d et O-2p par les harmoniques individuelles est représentée respectivement par des couleurs plus claires. Crédit: Recherche en physique avancée (2023). DOI : 10.1002/apxr.202300122
Lorsque des électrons se déplacent dans une molécule ou un semi-conducteur, cela se produit sur des échelles de temps incroyablement courtes. Une équipe suédo-allemande, comprenant le Dr Jan Vogelsang de l'Université d'Oldenbourg, a désormais réalisé des progrès significatifs vers une meilleure compréhension de ces processus ultrarapides : les chercheurs ont pu suivre la dynamique des électrons libérés par la surface des cristaux d'oxyde de zinc en utilisant des impulsions laser avec une résolution spatiale de l'ordre du nanomètre et une résolution temporelle jusqu'alors inédite.
Grâce à ces expériences, l'équipe a démontré l'applicabilité d'une méthode qui pourrait être utilisée pour mieux comprendre le comportement des électrons dans les nanomatériaux et les nouveaux types de cellules solaires, entre autres applications. Des chercheurs de l'Université de Lund, dont le professeur Anne L'Huillier, l'une des trois lauréates du prix Nobel de physique de l'année dernière, ont participé à l'étude publiée dans la revue Recherche en physique avancée.
Dans leurs expériences, l’équipe de recherche a combiné un type spécial de microscopie électronique connue sous le nom de microscopie électronique à photoémission (PEEM) avec la technologie de la physique attoseconde. Les scientifiques utilisent des impulsions lumineuses de très courte durée pour exciter les électrons et enregistrer leur comportement ultérieur. “Le processus ressemble beaucoup à un flash capturant un mouvement rapide en photographie”, a expliqué Vogelsang. Une attoseconde est incroyablement courte : seulement un milliardième de milliardième de seconde.
Comme le rapporte l’équipe, des expériences similaires n’avaient jusqu’à présent pas réussi à atteindre la précision temporelle requise pour suivre le mouvement des électrons. Les minuscules particules élémentaires tournent beaucoup plus vite que les noyaux atomiques plus gros et plus lourds. Dans la présente étude, cependant, les scientifiques ont combiné les deux techniques technologiquement exigeantes, la microscopie électronique à photoémission et la microscopie attoseconde, sans compromettre ni la résolution spatiale ni temporelle.
“Nous avons enfin atteint le point où nous pouvons utiliser des impulsions attosecondes pour étudier en détail l'interaction de la lumière et de la matière au niveau atomique et dans les nanostructures”, a déclaré Vogelsang.
L’un des facteurs qui ont rendu ces progrès possibles a été l’utilisation d’une source de lumière générant une quantité particulièrement élevée d’éclairs attosecondes par seconde – dans ce cas, 200 000 impulsions lumineuses par seconde. Chaque flash libérait en moyenne un électron de la surface du cristal, permettant aux chercheurs d'étudier leur comportement sans qu'ils ne s'influencent mutuellement. “Plus vous générez d'impulsions par seconde, plus il est facile d'extraire un petit signal de mesure à partir d'un ensemble de données”, a expliqué le physicien.
Le laboratoire d'Anne L'Huillier à l'Université de Lund (Suède), où ont été réalisées les expériences de la présente étude, est l'un des rares laboratoires de recherche au monde disposant de l'équipement technologique nécessaire à de telles expériences.
Vogelsang, chercheur postdoctoral à l'université de Lund de 2017 à 2020, met actuellement en place un laboratoire expérimental similaire à l'université d'Oldenbourg. À l’avenir, les deux équipes prévoient de poursuivre leurs recherches et d’explorer le comportement des électrons dans divers matériaux et nanostructures.
Plus d'information:
Jan Vogelsang et al, Microscopie électronique à photoémission résolue en temps sur une surface de ZnO utilisant une paire d'impulsions attosecondes ultraviolettes extrêmes, Recherche en physique avancée (2023). DOI : 10.1002/apxr.202300122
Fourni par Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg
Citation: Progrès dans l'étude de la dynamique des électrons ultrarapides à l'aide de courtes impulsions lumineuses (4 janvier 2024) récupéré le 4 janvier 2024 sur
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