L'holographie rencontre la spectroscopie : méthode de microscopie ultrarapide pour les processus optiques
Une équipe de chercheurs de Heidelberg et de Milan met au point une nouvelle technique de microscopie pour étudier les matériaux énergétiques
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Une méthode de microscopie extrêmement rapide pour étudier l'interaction entre la lumière et la matière permet d'étudier les processus optiques sur des échelles de temps très courtes. À cette fin, une équipe de recherche germano-italienne combine de manière innovante l'imagerie holographique et la spectroscopie ultrarapide. Il est ainsi possible d'observer des phénomènes électroniques et magnétiques de très courte durée, qui jouent un rôle majeur dans le développement et l'application de nouveaux matériaux énergétiques. La recherche a été menée dans le cadre d'une collaboration internationale entre des scientifiques de l'Institut de chimie physique de l'Université de Heidelberg, de l'Université polytechnique de Milan et de l'Institut de photonique et de nanotechnologies de Milan (Italie).
Au cœur de la recherche se trouve un microscope pompe-sonde, utilisé pour réaliser des expériences dites d'excitation et de détection. Dans ce processus, le matériau étudié est d'abord excité par une brève impulsion lumineuse, tandis qu'une seconde impulsion enregistre la réponse en fonction du temps. En comparant les mesures prises lorsque l'excitation est activée et désactivée, il est possible de reconstituer ces processus avec précision. "La combinaison de l'imagerie holographique et de la spectroscopie ultrarapide nous permet de résoudre dans l'espace les dynamiques électroniques et magnétiques et de les suivre sur des échelles de temps allant de la femtoseconde à la picoseconde", explique le Dr Julia Anthea Gessner, qui mène des recherches en tant que chef de projet au sein du Centre de recherche collaborative 1249 "N-Hétérocycles comme matériaux fonctionnels" et en tant que chef de groupe à l'Institut de physico-chimie.
La méthode innovante mise au point par l'équipe de recherche germano-italienne permet d'imager simultanément des phénomènes électromagnétiques ultrarapides sur de grands champs de vision, explique le Dr Martin Hörmann de l'Université polytechnique de Milan. Contrairement à d'autres techniques de microscopie, cela permet d'imager des zones à l'échelle du micromètre et de générer des "films" résolus dans le temps de la dynamique de charge et de spin des électrons. En outre, les changements induits par la lumière dans les propriétés optiques des matériaux peuvent être rendus visibles de cette manière. "Notre approche chiroptique ouvre ainsi de toutes nouvelles possibilités d'observation directe des processus dynamiques dans les matériaux complexes", explique le Dr Hörmann, qui a joué un rôle clé dans la recherche actuelle avec le Dr Gessner et le candidat au doctorat Federico Visentin.
Cette technique d'imagerie ultrarapide à haute résolution est principalement destinée aux matériaux énergétiques. Ces matériaux sont pertinents pour les technologies durables telles que les cellules solaires, les LED, les spin-LED ou les composants électroniques innovants. "La technique de microscopie permet de mieux comprendre les processus optiques ultrarapides, en particulier la façon dont ils changent en fonction de la composition et de la structure des matériaux", souligne le professeur Felix Deschler, qui effectue des recherches à l'Institut de chimie physique de l'université de Heidelberg. Selon le professeur Franco V. A. Camargo, chercheur à l'Institut de photonique et de nanotechnologies de Milan, la recherche sur l'interaction entre la lumière et la matière peut fournir des indications importantes pour le développement de composants efficaces et durables pour l'optoélectronique et la spintronique.
La recherche a été financée par l'Union européenne. Deschler et Camargo par le Conseil européen de la recherche (CER). Les résultats de l'étude ont été publiés dans la revue "Nature Photonics".
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