Y a-t-il un pilote pour l’électron ?

Sortir un électron de son atome et l’y ramener grâce à de la lumière ultraviolette extrême, c’est sonder la matière à une échelle impossible jusqu’ici ! C’est la prouesse réalisée par une équipe internationale de scientifiques et publiée dans Nature Photonics. Une expérience qui pourrait mener au développement d’une nouvelle génération d’outils de spectroscope et d’imagerie.

Pour observer un objet, il faut qu'une sonde interagisse avec lui et nous renvoie une information sur sa structure. Et la lumière est l’un des outils les plus puissants dont disposent les scientifiques pour sonder la matière. En interagissant avec les électrons et les noyaux, elle révèle comment les atomes, les molécules et les matériaux sont structurés et comment ils évoluent au cours du temps. C'est le principe de la photographie, mais aussi de nombreuses techniques de microscopie. 

Si les chercheurs savent aujourd’hui contrôler les électrons à l’aide de lasers visibles et infrarouges, transposer ces techniques aux domaines de l’ultraviolet extrême et des rayons X s’est révélé bien plus difficile. Or, les photons ultraviolets et les rayons X, très énergétiques, sont particulièrement intéressants car ils permettent d’accéder aux électrons situés à proximité immédiate des noyaux atomiques, où chaque élément chimique possède sa propre signature électronique.

Cette région du spectre, jusqu’ici largement hors de portée, les scientifiques du Max Born Institute de Berlin (Allemagne), de l’UCLouvain (Belgique), de l’Université d’Uppsala (Suède), de l’Université de Kassel (Allemagne)  et d’Elettra Sincrotrone Trieste (Italie) ont réussi à la sonder et démontrent ainsi ce qu’ils appellent « le contrôle quantique cohérent dans l’ultraviolet extrême ». Une première dont les résultats sont publiés dans la revue Nature Photonics. 

Une nouvelle fenêtre sur la matière

Comment ont-ils accédé à cette région particulièrement exigeante du spectre ? En façonnant soigneusement des flashs de lumière ultraviolette extrême et en ajustant avec une très grande précision le délai entre leurs impulsions. 
Résultat : un niveau de contrôle remarquable. En jouant sur ces impulsions, l’équipe a pu soit renforcer l’excitation « Raman » d’un électron dans un atome d’hélium, soit, au contraire, la supprimer.

« C’est un peu comme si nous pouvions éjecter un électron hors d’un atome puis le ramener à la maison grâce à la lumière. Plus remarquable encore, nous pouvons décider si cela se produit ou non simplement en introduisant de très faibles délais entre les impulsions lumineuses que nous envoyons. Autrement dit, en contrôlant la phase des impulsions lumineuses, nous pouvons décider si différents chemins quantiques coopèrent entre eux ou, au contraire, s’opposent », explique Matthieu Génévriez*, l’un des auteurs de l’étude et chercheur à l’UCLouvain.

Depuis des décennies, les scientifiques utilisent la diffusion Raman stimulée et des techniques apparentées basées sur des lasers visibles et infrarouges pour suivre les réactions chimiques et la dynamique électronique au cœur des molécules et atomes qui constituent nos cellules ou matériaux. Cette nouvelle expérience démontre que ces méthodes extrêmement puissantes peuvent désormais être étendues à l’ultraviolet extrême, franchissant ainsi un obstacle de longue date et ouvrant de nouvelles possibilités pour l’imagerie et la manipulation de la matière avec une résolution spatiale sans précédent.

Vers de nouveaux outils d’imagerie

L’expérience décrite dans Nature Photonics a été réalisée au laser à électrons libres FERMI, à Trieste en Italie, l’une des rares infrastructures au monde capables de produire la lumière ultraviolette extrême intense et finement contrôlée nécessaire à ce type d’étude.

Ces installations produisent des impulsions de lumière XUV et X extrêmement brillantes et ultracourtes, ce qui permet de sonder la matière d’une manière auparavant impossible.« D’une certaine manière, elles permettent de prendre un instantané du mouvement des électrons et des noyaux atomiques, un peu comme une radiographie révèle les structures à l’intérieur du corps humain », complète Ulli Eichmann, le premier auteur de l’étude.

Les scientifiques estiment que les concepts démontrés dans ce travail pourraient, à terme, permettre le développement d’une nouvelle génération d’outils de spectroscopie et d’imagerie spécifiques aux différents éléments chimiques, capables de suivre les mouvements électroniques et les transformations chimiques aux plus petites échelles.

*Matthieu Génévriez est Professeur à la Faculté des Sciences et chercheur au Institute of Condensed Matter and Nanosciences (IMCN) de l’UCLouvain.