La microscopie à la limite de l'espace-temps

De nombreuses technologies futures, des technologies vertes et quantiques à l’électronique haute performance pour l’intelligence artificielle, nécessitent une compréhension précise du fonctionnement de la matière à l’échelle microscopique : comment se produisent les réactions chimiques, comment la lumière interagit avec la matière et comment les électrons se déplacent à travers les composants électroniques. Des images fixes à haute résolution des éléments constitutifs microscopiques de la matière ne suffisent pas à cet effet ; il faut plutôt des vidéos au ralenti résolues dans le temps issues du nanocosmos.

Au Centre de nanoscopie ultra-rapide de Ratisbonne (RUN), des microscopes ultra-rapides sont développés et utilisés pour capturer directement le mouvement des électrons, des atomes et des molécules dans des films microscopiques au ralenti, avec la résolution spatiale et temporelle la plus élevée possible. Il y a dix ans, à Ratisbonne, le mouvement d’une seule molécule dans l’espace et le temps a été résolu pour la première fois à l’aide de la microscopie à effet tunnel ultra-rapide. Par rapport aux atomes et aux molécules, à cette échelle de longueur, les électrons se déplacent mille fois plus vite, c’est-à-dire à des échelles de temps de l’attoseconde. Les ordres de grandeur sont extrêmes : un atome est environ dix millions de fois plus petit qu’un millimètre, et une attoseconde équivaut à un milliardième de milliardième de seconde. Ainsi, le rapport entre une attoseconde et une seconde est le même que celui entre une seconde et l’âge de l’univers. Ce qui est particulièrement fascinant, c’est que le mouvement des électrons n’obéit pas aux lois de la mécanique classique, mais plutôt aux règles étranges de la physique quantique.

Afin d’obtenir une augmentation correspondante de la résolution temporelle par rapport aux expériences précédentes et de visualiser et contrôler directement la dynamique quantique d’électrons individuels, les chercheurs ont mis au point un nouveau système laser. À l’aide de ses impulsions laser, ils contrôlent le mouvement des électrons à ces échelles de temps extrêmes de telle sorte que les électrons se déplacent d’une pointe métallique d’une précision atomique vers une surface d’argent sur une distance de quelques diamètres atomiques seulement. Ces mouvements d’électrons sont mesurés sous forme de courant, et les informations temporelles sont obtenues à l’aide de deux impulsions lumineuses.

Simon Maier, auteur principal de l’article, explique : « En faisant varier l’intervalle de temps entre les deux impulsions laser, nous pouvons observer directement comment les électrons réagissent. » Le mouvement des électrons ainsi observé présente des signatures à l’échelle de l’attoseconde — ce qui signifie que les impulsions lumineuses peuvent transférer des électrons à ces échelles de temps, et qu’il est possible d’observer ce phénomène. Ce qui rend ce phénomène particulier, c’est que les électrons ne se déplacent pas comme des particules classiques. Au contraire, en tant qu’ondes quantiques, les électrons franchissent la barrière énergétique entre la pointe et l’échantillon, pour laquelle ils ne possèdent en réalité pas suffisamment d’énergie selon les lois de la physique classique. Ils la « traversent par effet tunnel », comme s’ils passaient à travers un mur massif sans le détruire. « Notre mesure peut être comparée à une caméra haute vitesse pour les paquets d’ondes électroniques, puisqu’on peut voir à quel moment précis le processus de tunnel se produit », explique Katharina Glöckl, doctorante et co-auteure de la publication.

Afin de mieux comprendre la dynamique microscopique des électrons à la « limite spatio-temporelle », le groupe du professeur Angel Rubio a mené des simulations quantiques complexes. Les calculs expliquent les résultats expérimentaux avec une précision remarquable. Ils montrent également que l’électron ne suit pas le champ lumineux immédiatement, mais avec un infime retard de 500 attosecondes.

Dans cette région frontalière des plus petites échelles spatiales et temporelles, les limites physiques fondamentales de la physique quantique apparaissent à plusieurs niveaux. L’effet des impulsions laser, par exemple, ne peut être clairement attribué ni au modèle ondulatoire ni au modèle photonique de la lumière, mais présente des caractéristiques des deux — et c’est précisément ce qui a permis aux chercheurs de pénétrer aussi profondément dans la « limite spatio-temporelle ». Lorsque des électrons sont déplacés par des impulsions lumineuses à des échelles de temps aussi courtes, cela a des conséquences complexes sur la distribution spatiale des électrons, qui sont décrits en mécanique quantique comme des paquets d’ondes.

Raffael Spachtholz, également coauteur de l’article, explique : « Plus nous voulons déterminer avec précision la position de l’électron dans le temps, plus nous devons lui fournir d’énergie. En conséquence, le paquet d’ondes de l’électron s’étend davantage dans l’espace. » L’équipe a étudié cette relation à l’aide d’un atome unique placé à la surface afin de confiner les paquets d’ondes électroniques à l’échelle atomique juste avant l’arrivée des impulsions lumineuses. Cela leur a permis de déterminer directement la relation entre l’étalement spatial et temporel des paquets d’ondes électroniques. Heureusement, malgré une forte excitation, les paquets d’ondes électroniques restent définis spatialement avec une netteté suffisante pour permettre une microscopie à résolution atomique à l’échelle de l’attoseconde.

Grâce à cette dernière avancée, l’équipe repousse les limites d’une contrainte spatio-temporelle des fonctions d’onde électroniques en mécanique quantique, jusqu’alors seulement vaguement soupçonnée, afin d’étudier systématiquement pour la première fois comment la dynamique temporelle des électrons façonne la structure spatiale de leur fonction d’onde. Cela ouvre également des possibilités d’applications entièrement nouvelles. Par exemple, le transfert d’un électron vers une molécule correspond au plus petit transfert de charge possible ; cependant, si l’électron est confiné dans un minuscule volume spatio-temporel, cela correspond à des densités de courant de crête locales extrêmement élevées, pouvant atteindre 1 000 milliards d’ampères par centimètre carré. « À l’avenir, nous souhaitons utiliser de tels paquets d’ondes pour déclencher de manière ciblée des réactions chimiques et observer, aux échelles de longueur et de temps pertinentes, comment les liaisons chimiques peuvent être rompues ou modifiées », explique avec enthousiasme le professeur Jascha Repp. « À long terme, les connaissances acquises pourraient également contribuer à faire fonctionner l’électronique et le traitement de l’information quantique à la limite de vitesse intrinsèque du mouvement des électrons lui-même — soit des centaines de milliers de fois plus vite que la technologie CMOS qui domine actuellement », ajoute le professeur Rupert Huber. Les deux responsables du projet s’accordent à dire que les applications potentielles des électrons à la limite spatio-temporelle sont désormais davantage limitées par l’imagination humaine que par la nature.