L’effet photoélectrique, par lequel les photons frappant la matière provoquent l’émission d’électrons, est l’un des effets par excellence de la mécanique quantique. Einstein a expliqué le mécanisme clé sous-jacent au phénomène en 1905, ce qui lui a valu le prix Nobel de physique en 1921. Il a construit sur un concept introduit cinq ans plus tôt par Max Planck: l’énergie électromagnétique n’est absorbée et émise que par paquets discrets, c’est-à-dire en quanta. Le concept quantique a révolutionné la physique. L’effet photoélectrique, quant à lui, a été exploré de plus en plus en détail, et est aujourd’hui exploité dans des applications allant des cellules solaires aux lunettes de vision nocturne. Un changement dans notre compréhension de l’effet est survenu au cours de la dernière décennie. Les expériences laser ont permis d’examiner directement la dynamique quantique complexe qui se déroule à l’échelle de temps attoseconde lorsque les électrons sont retirés de leur système parent lorsqu’ils interagissent avec la lumière. Cependant, les mesures résolues dans le temps du processus de photoionisation sous sa forme sans doute la plus pure – l’absorption et l’émission de photons uniques par un seul électron non lié – sont restées insaisissables. Jusqu’à maintenant.
Dans la revue Optica, Jaco Fuchs et ses collègues du groupe de Physique des Lasers Ultrarapides du Prof. Ursula Keller de l’Institut d’électronique quantique, travaillant avec des collaborateurs aux États-Unis, en Autriche et en Espagne, rapporte une expérience dans laquelle ils ont mesuré pour la première fois comment l’absorption et l’émission de photons uniques modifient la dynamique d’un électron qui n’est pas lié à un noyau atomique, mais ressent toujours son potentiel de Coulomb. En introduisant un nouveau protocole expérimental, ils ont découvert que la dynamique dépend du moment cinétique de l’électron photo-ionisé: ils ont mesuré un retard allant jusqu’à 12 attosecondes entre les électrons s et d sortants dans l’hélium. Il s’agit d’une signature subtile mais indubitable des effets quantiques sous-jacents. Et ils ont également observé des phénomènes fondamentaux d’origine classique: ils ont mesuré des changements de phase qui reflètent que dans les électrons d, la propagation vers l’extérieur est plus lente que dans les électrons s. Cela peut s’expliquer par la plus grande fraction de l’énergie de rotation et donc une énergie radiale plus faible dans les électrons d.
Extraction de la contribution de photons simples
Ces résultats marquent plusieurs « premières ». Le groupe de Keller a été un pionnier dans divers domaines de l’attoscience, y compris la mesure des retards d’attosecondes dans la photoionsation, qui surviennent lorsque des électrons photoexcités se propagent dans le potentiel de l’ion parent, ce qui entraîne un retard de groupe mesurable. La mesure de ces retards à l’échelle de l’attoseconde implique typiquement au moins deux photons, ce qui rend exceptionnellement difficile l’extraction de la contribution de photons uniques. Fuchs et coll. maintenant, j’ai trouvé un moyen de le faire.
Dans leur cas deux photons sont également impliqués, l’un dans l’ultraviolet extrême (XUV) et l’autre dans l’infrarouge (IR). Mais ils ont conçu une procédure d’ajustement qui leur a permis d’extraire de leurs données de haute qualité les amplitudes et les phases relatives de toutes les voies quantiques par lesquelles la photoionsation se déroule dans leur système. Ils ont ainsi pu isoler les différentes contributions des photons IR, qui sont ceux induisant des transitions dans un électron non lié (alors que les photons XUV ionisent l’atome, en transférant un électron d’un état lié au continuum).
Mesure directe des retards résultant du Bremsstrahlung
Non seulement les physiciens de l’EPF ont-ils eu pour la première fois accès aux retards de n’importe quelle transition d’un photon. Ce sont également les premières mesures de ces délais pour l’absorption et l’émission de photons par des électrons non liés, un phénomène connu sous le nom de Bremsstrahlung (inverse). Les résultats expérimentaux sont bien reproduits par deux méthodes théoriques indépendantes employées par Fuchs et ses collègues. Ces simulations fournissent également la preuve que certains des effets observés sont universels, en ce sens qu’ils sont indépendants de l’espèce atomique de l’ion parent.
Ce travail illustre que 115 ans après le travail fondateur d’Einstein, l’effet photoélectrique ne cesse d’inspirer. Les outils introduits par Fuchs et ses collègues fournissent de nouvelles capacités expérimentales pour étudier la dynamique de la photoionisation, à la fois dans les atomes et dans les petites molécules. De telles études pourraient à leur tour permettre de mieux comprendre les délais de photoémission, en particulier en présence d’interactions dans la gamme intermédiaire à longue.
