La photoémission filmée en 3D et en temps réel

Publié par Redbran le 04/05/2022 à 13:00
Source: CNRS INC
L'interprétation de l'effet photoélectrique par Albert Einstein en 1905 a révolutionné les sciences fondamentales et appliquées. Des chercheurs et des chercheuses ont obtenu le premier film 3D expérimental de ce processus ultrarapide en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) réel et au niveau atomique.

La photoémission, interprétée en 1905 par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) comme l'émission d'un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) par de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) suite à l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) d'un quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) (le photon), a joué un rôle clé dans le développement de la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...) au début du XXème siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui...). Elle est devenue aujourd'hui un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) d'analyse extrêmement puissant de la matière à l'aide de sources de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) variées, depuis les lasers jusqu'aux synchrotrons, allant de l'UV aux rayons X.

Le processus de photoémission se produit sur des échelles de temps si brèves - de l'ordre du milliardième de milliardième de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) (1 attoseconde = 10-18 s) - qu'il a jusqu'à récemment été inconcevable d'en observer directement la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...), pourtant essentielle à sa totale compréhension. En effet, c'est pendant le processus que les signatures spectroscopiques propres à chaque espèce (Dans les sciences du vivant, l’espèce (du latin species, « type »...) chimique sont transférées au photoélectron, alors que celui-ci quitte l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...), la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) ou le matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en continuant de ressentir l'influence du coeur ionique.

C'est en 2001 que les premières sources d'impulsions de lumière cohérente de durées "attoseconde" ont vu le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la...) [1]. La disponibilité (La disponibilité d'un équipement ou d'un système est une mesure de performance qu'on...) de ces sources aux propriétés jusqu'alors inédites a marqué l'avènement de la spectroscopie résolue en temps à l'échelle attoseconde, échelle ultime des dynamiques se produisant dans la matière chimique, et demeurant, à ce jour, la plus courte qui puisse être résolue expérimentalement. La spectroscopie attoseconde a depuis fait ses preuves en démontrant la possibilité d'explorer les dynamiques d'une variété de processus fondamentaux, parmi lesquels la photoémission [2].

Dans ce cadre, une collaboration impliquant des équipes du CEA, de Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...), de l'Université Paris-Saclay, de l'Université Lyon 1 et du CNRS(1) a combiné une approche interférométrique attoseconde avec une méthode de détection de photoélectrons dite "d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) de vitesse (On distingue :)" afin d'accéder, pour la première fois, à la dynamique complète de photoémission en fonction de la direction d'émission (2). Les expériences effectuées au CEA Paris-Saclay, sur la nouvelle plateforme ATTOLab, ont porté sur la photoémission de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) à deux photons, impliquant les états intermédiaires anisotropes 1s3p et 1s4p. Les mesures du module et de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) de photoionisation ont pu être analysées et interprétées grâce à des simulations numériques et des développements analytiques menées à Sorbonne Université. Les dynamiques révélées, ainsi que leurs dépendances angulaires, diffèrent significativement selon le degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines...) d'implication des états intermédiaires, illustrant la richesse des phénomènes en jeu (voir figure). Ces résultats sont publiés dans la revue Sciences Advances.

Cette approche exclusivement expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...), permettant de "filmer" la photoémission à l'échelle atomique, est applicable à une large gamme d'espèces chimiques au repos ou participant à une réaction, promettant de révéler les secrets des corrélations et des dynamiques électroniques régissant la structure et les transformations de la matière.


Film en 3D de la photoémission d'un atome d'hélium suite à l'absorption simultané d'un photon d'extrême ultraviolet (Le rayonnement ultraviolet (UV) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur...) (XUV) et d'un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) (IR). L'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas...) t = 0 est placé au maximum du recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union...) des impulsions XUV + IR. Chaque instantané représente l'amplitude complexe du taux d'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) (module en coordonnées polaires (Les coordonnées polaires sont, en mathématiques, un système de coordonnées...), phase donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...) par le code couleur). Au début et à la fin de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...), l'émission d'électrons se fait préférentiellement dans la direction z de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) XUV/IR. De façon remarquable, au maximum de l'interaction avec la lumière, près du temps 0, les interférences entre les voies d'ionisation impliquant les états intermédiaires 1s3p et 1s4p affectent fortement la symétrie (De manière générale le terme symétrie renvoie à l'existence, dans une...) de l'émission, qui se fait alors majoritairement perpendiculairement à la polarisation du rayonnement.

Laboratoires:
- Laboratoire interactions, dynamiques et lasers (LIDYL, CNRS/CEA) ;
- Laboratoire de chimie physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des...) - matière et rayonnement (LCPMR, CNRS/Sorbonne Univ.) ;
- Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) des sciences moléculaires d'Orsay (ISMO, CNRS/Univ. Paris-Saclay) ;
- Institut lumière matière (ILM, CNRS/Univ. de Lyon 1).

Références:

[1] Observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) of a Train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) of Attosecond Pulses from High Harmonic Generation, P. M. Paul, E. S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Augé, Ph. Balcou, H. G. Muller et P. Agostini, Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) 292, 1689 (2001).
DOI: 10.1126/science.1059413

[2] Attosecond dynamics through a Fano resonance: monitoring the birth of a photoelectron, V. Gruson, L. Barreau, À. Jiménez-Galan, F. Risoud, J. Caillat, A. Maquet, B. Carré (Un carré est un polygone régulier à quatre côtés. Cela signifie que ses...), F. Lepetit, J-F. Hergott, T. Ruchon, L. Argenti, R. Taïeb, F. Martin et P. Salières, Science 354, 734 (2016).
DOI: 10.1126/science.aah5188

[3] Anisotropic dynamics of two-photon ionization: An attosecond movie of photoemission, A. Autuori, D. Platzer, M. Lejman, G. Gallician, L. Maëder, A. Covolo, L. Bosse, M. Dalui, D. Bresteau, J.-F. Hergott, O. Tcherbakoff, H.J.B. Marroux, V. Loriot, F. Lépine, L. Poisson (Dans la classification classique, les poissons sont des animaux vertébrés aquatiques...), R. Taïeb, J. Caillat et P. Salières, Science Advances 8, 12 (2022).
DOI: 10.1126/sciadv.abl7594
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