Les paires de photons compriment un faisceau d’électrons en courtes impulsions

Des physiciens de l’Université de Constance ont généré l’un des signaux les plus courts jamais produits par l’homme : en utilisant des impulsions laser appariées, ils ont réussi à compresser une série d’impulsions électroniques en une durée analysée numériquement de seulement 0,000000000000000005 secondes.

Les processus naturels qui se produisent dans les molécules ou les solides s’exécutent parfois sur une échelle de temps de quadrillionièmes (femtosecondes) ou de quintillionièmes (attosecondes) de seconde. Les réactions nucléaires sont encore plus rapides. Désormais, Maxim Tsarev, Johannes Thurner et Peter Baum, scientifiques de l’Université de Constance, utilisent un nouveau dispositif expérimental pour obtenir des signaux de durée attoseconde, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine des phénomènes ultrarapides.

Même les ondes lumineuses ne peuvent pas atteindre une telle résolution temporelle, car une seule oscillation prend beaucoup trop de temps pour cela. Les électrons apportent ici un remède, car ils permettent une résolution temporelle nettement plus élevée. Dans leur configuration expérimentale, les chercheurs de Constance utilisent des paires de flashs lumineux femtosecondes d’un laser pour générer leurs impulsions électroniques extrêmement courtes dans un faisceau en espace libre. Les résultats sont publiés dans la revue Physique naturelle.

Comment les scientifiques s’y sont-ils pris ?

Semblables aux vagues d’eau, les ondes lumineuses peuvent également se superposer pour créer des crêtes et des creux d’ondes stationnaires ou progressives. Les physiciens ont choisi les angles d’incidence et les fréquences de manière à ce que les électrons copropagatifs, qui volent dans le vide à la moitié de la vitesse de la lumière, se chevauchent avec des crêtes et des creux d’ondes optiques ayant exactement la même vitesse.

Ce que l’on appelle la force pondéromotrice pousse alors les électrons dans la direction du prochain creux d’onde. Ainsi, après une courte interaction, une série d’impulsions d’électrons est générée qui sont extrêmement courtes dans le temps, surtout au milieu du train d’impulsions, où les champs électriques sont très forts.

Pendant une courte période, la durée temporelle des impulsions d’électrons n’est que d’environ cinq attosecondes. Afin de comprendre ce processus, les chercheurs mesurent la distribution de vitesse des électrons qui reste après la compression.

“Au lieu d’une vitesse très uniforme des impulsions de sortie, vous voyez une distribution très large qui résulte de la forte décélération ou accélération de certains électrons au cours de la compression”, explique le physicien Johannes Thurner. “Mais pas seulement cela : la distribution n’est pas lisse. Au lieu de cela, elle se compose de milliers d’étapes de vitesse, car seul un nombre entier de paires de particules légères peuvent interagir avec les électrons à la fois.”

Importance pour la recherche

En mécanique quantique, dit le scientifique, il s’agit d’une superposition temporelle (interférence) des électrons avec eux-mêmes, après avoir subi la même accélération à des moments différents. Cet effet est pertinent pour les expériences de mécanique quantique, par exemple sur l’interaction des électrons et de la lumière.

Ce qui est également remarquable : les ondes électromagnétiques planes comme un faisceau lumineux ne peuvent normalement pas provoquer de changements de vitesse permanents des électrons dans le vide, car l’énergie totale et la quantité de mouvement totale de l’électron massif et d’une particule lumineuse de masse nulle au repos (photon) ne peuvent pas être conservées. Cependant, avoir deux photons simultanément dans une onde se déplaçant plus lentement que la vitesse de la lumière résout ce problème (effet Kapitza-Dirac).

Pour Peter Baum, professeur de physique et responsable du groupe Lumière et Matière à l’Université de Constance, ces résultats relèvent encore clairement de la recherche fondamentale, mais il souligne le grand potentiel de recherche future : « Si un matériau est frappé par deux de nos impulsions courtes à un intervalle de temps variable, la première impulsion peut déclencher un changement et la deuxième impulsion peut être utilisée pour l’observation, comme le flash d’un appareil photo.”

Selon lui, le grand avantage est qu’aucun matériau n’est impliqué dans le principe expérimental et que tout se passe dans l’espace libre. Des lasers de toute puissance pourraient en principe être utilisés à l’avenir pour une compression toujours plus forte. “Notre nouvelle compression à deux photons nous permet d’entrer dans de nouvelles dimensions du temps et peut-être même de filmer des réactions nucléaires”, déclare Baum.