En combien de temps un électron passe-t-il d'un atome à un autre ?

Des scientifiques ont annoncé avoir découvert le temps pris par des électrons pour circuler entre les atomes: environ 320 trillionièmes de seconde (10^-18 s). La revue Nature publie cette semaine une étude de dynamique électronique ("Observation directe de la dynamique des électrons dans le domaine de l'attoseconde"). Les auteurs de l'étude, parmi d'autres chercheurs, sont les professeurs Daniel Sánchez-Portal et Pedro Miguel Etxenike du Centre International de Physique de Donostia (DIPC) à San Sebastien.


Un groupe de chercheur de divers laboratoires allemands a réalisé la partie expérimentale de l'étude, et les explications théoriques basées sur la physique quantique ont été élaborées au DIPC.

L'étude répond à la question suivante: Combien de temps faut-il à un électron pour voyager d'un atome à un autre? La conclusion principale est que le temps requis est beaucoup plus court que ce qui avait pu être mesuré jusqu'à aujourd'hui. Cette étude analyse la dynamique des électrons dans le cas d'atomes de soufre disposés sur des surfaces métalliques (ruthénium). Les électrons "sautent" du soufre sur la surface métallique en 320 attosecondes approximativement (une attoseconde est équivalente à 10^-18 secondes). Afin d'avoir une idée de la petitesse de ce nombre, une attoseconde est à une seconde ce qu'une seconde est à l'âge de l'univers (environ 14 milliard d'années).

L'innovation principale de ce travail consiste en la capacité de mesurer un temps de transfert de charges entre un atome et une surface à l'échelle des attosecondes, et dans le même temps, d'avoir établi les détails du processus à l'aide de la mécanique quantique. Ce phénomène est un des plus rapides jamais observés directement en physique des solides, et il montre qu'il est possible d'obtenir des informations sur la dynamique des électrons avec une grande précision. Pour une telle résolution, il a été nécessaire d'employer un "dispositif" de mesure précis, en l'occurrence une horloge qui fournissait des transitions électroniques au sein d'un même atome.

La question du temps de transfert des électrons entre différents atomes est très importante pour plusieurs raisons. Il est important d'optimaliser la conception des matériaux qui constitueront les futurs dispositifs électroniques (dans le domaine de la nanoélectronique et de l'électronique moléculaire). En particulier, la technique utilisée permet de distinguer les différentes valeurs du "spin" électronique et ouvre de nouveaux domaines d'étude dans le domaine de la "spintronique", une nouvelle électronique dans laquelle le facteur principal n'est pas la charge de l'électron comme dans l'électronique traditionnelle, mais bien son spin. Les processus de transfert de charges sont également essentiels en biologie (pour la photosynthèse), la production énergétique (les cellules photovoltaïques) et, plus généralement, en photochimie et en électrochimie.