L’Université d’Ottawa et le CNRC créent les premières images holographiques de la fonction d’onde quantique d’un électron

Publié le jeudi 15 juin 2017

David Villeneuve, professeur auxiliaire à l’Université d’Ottawa et agent de recherches au Conseil national de recherches du Canada

David Villeneuve, professeur auxiliaire à l’Université d’Ottawa et agent de recherches au CNRC. Photo: Dave Weatherall, Université d'Ottawa.

Une expérience « parfaite » qui repose sur la technologie de l’attoseconde

Pour la première fois de l’histoire, des physiciens de trois continents sont arrivés à mesurer et à décrire la fonction d’onde mécanique-quantique d’un électron ionisé en s’appuyant sur les techniques de la science de l’attoseconde.

Le mérite de cette percée revient à des physiciens de l’Université d’Ottawa et du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) au Canada, du Max-Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy en Allemagne et de l’Université Waseda au Japon.

« La recherche dans le domaine de l’attoseconde en est encore à ses balbutiements », a déclaré le responsable canadien du projet de recherche, David Villeneuve, professeur auxiliaire à l’Université d’Ottawa et agent de recherches au CNRC. « Si des expériences de ce genre sont maintenant possibles, c’est uniquement grâce à de très récents progrès dans le domaine de la photonique quantique. Les expériences à l’échelle de l’attoseconde permettent de voir à l’échelle quantique les électrons à l’intérieur même des atomes et des molécules. »

L’expérience effectuée démontre l’une des propriétés fondamentales de la mécanique quantique. En capturant les toutes premières images holographiques de la fonction d’onde quantique d’un électron, les physiciens ont démontré non seulement la possibilité d’exercer un contrôle extrême sur l’état quantique d’un atome au moyen de dispositifs de pointe relevant de la science de l’attoseconde, mais aussi à quel point les techniques de la science de l’attoseconde révolutionnent actuellement la recherche en physique des lasers ultrarapides.

Une attoseconde est l’équivalent d’un trillionième d’une seconde (1x10-18 de seconde). Le rapport entre une attoseconde et une seconde est le même que celui entre une seconde et l’âge de l’univers. Les impulsions lumineuses de l’ordre de l’attoseconde peuvent modifier profondément les états de la matière. Les résultats de ces recherches sont décrits dans un article à paraître dans le numéro de la revue Science qui sera publié demain.

Importance de la recherche dans le domaine de l’attoseconde

Une attoseconde équivaut à un trillionième d’une seconde (1x10-18 d’une seconde). Le rapport entre une attoseconde et une seconde est en gros équivalent au rapport entre une seconde et l’âge de l’univers. Comme les impulsions lumineuses de l’ordre de l’attoseconde sont plus rapides que le mouvement des électrons à l’intérieur des atomes et des molécules, elles procurent aux scientifiques un nouvel outil pour contrôler et mesurer les états quantiques de la matière.

Les électrons sont des particules élémentaires à charge négative à la source de plusieurs technologies courantes, comme l’électricité. L’interaction entre la lumière et les électrons est par ailleurs à la base de la photosynthèse et du fonctionnement des piles photovoltaïques. Dans cette expérience, les scientifiques ont irradié des atomes de néon d’impulsions de l’ordre de l’attoseconde afin de créer un état excité du néon. Simultanément, une impulsion laser infrarouge synchronisée avec précision fournissait l’énergie additionnelle nécessaire pour ioniser l’atome de néon, provoquant ainsi l’éjection d’un électron. Grâce à la combinaison précise d’impulsions laser utilisée, l’état quantique de l’électron éjecté a pu être contrôlé. Chaque électron a été simultanément éjecté dans six directions différentes grâce à la magie de la mécanique quantique.

Comme la fonction d’onde de l’électron comporte une partie imaginaire, il est impossible d’en enregistrer une image. La fonction d’onde quantique « s’évanouit » dès qu’elle est mesurée et par conséquent, seule la valeur absolue de la fonction d’onde peut être observée. Afin d’accéder à la partie imaginaire de la fonction d’onde, il faut ajouter un autre cheminement cohérent pour libérer l’électron, ce qui crée une référence holographique. On arrive ainsi à produire une image de l’amplitude et du signal de la fonction d’onde.

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