Des chercheurs de l'EPFL créent des tourbillons d'électrons

Dans le célèbre classique de Jules Verne Vingt mille lieues sous les mers, l’emblématique sous-marin le Nautilus disparaît dans le Maelstrom, un puissant tourbillon au large des côtes norvégiennes. Dans l’espace, des étoiles tournent en spirale autour de trous noirs; sur Terre, les phénomènes tournoyants qui font rage prennent différentes formes: cyclones, tornades et tourbillons de poussière.

Toutes ces manifestations ont en commun une morphologie particulière: le vortex. Des galaxies au lait que l’on remue dans son café, les vortex sont présents partout dans la nature, jusque dans le monde subatomique, lorsqu’un flux de particules élémentaires ou d’énergie tourne en spirale autour d’un axe fixe, telle la pointe d’un tire-bouchon.

Lorsque des particules bougent ainsi, elles forment ce qu’on appelle des «faisceaux vortex». Ceux-ci sont très intéressants parce qu’ils impliquent que la particule possède un moment angulaire orbital bien défini qui décrit sa rotation autour d’un point fixe.

Cela signifie que les faisceaux vortex peuvent offrir de nouvelles façons d’interagir avec la matière, par exemple en augmentant la sensibilité de capteurs aux champs magnétiques ou en générant de nouveaux canaux d’absorption facilitant les interactions entre les radiations et les tissus lors de traitements médicaux (comme la radiothérapie). En outre, les faisceaux vortex rendent possibles de nouvelles voies dans les interactions de base entre les particules élémentaires, ce qui laisse espérer de nouvelles connaissances sur la structure interne de particules telles que les neutrons, les protons et les ions.

La matière a ceci d’étonnant qu’elle est à la fois particulaire et ondulatoire. Cela signifie qu’il est possible de transformer de grosses particules en des faisceaux vortex en modulant simplement leur fonction d’onde. Cette opération peut être réalisée avec un appareil appelé «masque de phase passif», qu’on peut se représenter comme un obstacle qui se dresse dans la mer. Lorsque les vagues se heurtent contre cet obstacle, leurs caractéristiques ondulatoires sont modifiées et elles forment des tourbillons. Jusqu’à présent, les physiciens ont eu recours à la méthode du masque de phase passif pour créer des faisceaux vortex d’électrons et de neutrons.

Des scientifiques du laboratoire de Fabrizio Carbone de l’EPFL ont cependant remis en question cette idée. En démontrant pour la première fois qu’il était possible d’utiliser la lumière pour entraîner une déformation dynamique de la fonction d’onde d’un électron, les chercheurs sont parvenus à générer un faisceau vortex d’électrons extrêmement court et à modifier sa vorticité à l’échelle de l’attoseconde (10^-18 seconde).

Pour ce faire, ils ont exploité l’une des règles fondamentales qui régissent l’interaction entre les particules à l’échelle nanométrique: la conservation d’énergie et de quantité de mouvement. Cela signifie que la somme des énergies, des masses et des vitesses de deux particules est la même avant et après leur collision. Cette loi implique qu’un électron obtient un moment angulaire orbital pendant son interaction avec un champ lumineux préparé à cet effet, c’est-à-dire un plasmon chiral.

Expérimentalement parlant, les scientifiques ont envoyé des impulsions laser ultrarapides à polarisation circulaire à travers un nanotrou percé dans un film métallique. Ces impulsions ont engendré un puissant champ magnétique localisé (le plasmon chiral), avec lequel des électrons individuels ont été mis en interaction.

Les scientifiques ont utilisé un microscope électronique en transmission ultrarapide pour observer les profils de phase des électrons qui en ont résulté. Ils ont découvert que, pendant l’interaction des électrons avec le champ magnétique, la fonction d’onde des électrons a été sujette à une «modulation chirale», un mouvement sur la droite ou sur la gauche qui peut être contrôlé activement en ajustant la polarisation des impulsions laser.

«Ces expériences débouchent sur de nombreuses applications pratiques, précise Fabrizio Carbone. Les faisceaux vortex d’électrons ultrarapides peuvent être utilisés pour coder et manipuler l’information quantique; le moment angulaire orbital des électrons peut être transféré aux rotations des matériaux magnétiques pour contrôler la charge topologique dans de nouveaux appareils de stockage de données. Ce qui est encore plus passionnant, c’est que l’utilisation de la lumière pour déformer dynamiquement les ondes de matière offre de nouvelles perspectives pour façonner des faisceaux de protons ou de ions comme ceux qui sont utilisés dans les thérapies médicales. Cela permet potentiellement d’obtenir de nouveaux mécanismes d’interaction entre les radiations et la matière qui pourraient se révéler très utiles pour des techniques d’ablation sélective de tissus.»

Représentation schématique du transfert du moment angulaire orbital aux électrons: l’interaction entre l’onde plane d’électrons pulsée synchronisée avec le champ plasmonique chiral crée faisceau vortex d’éléments transférant le moment angulaire orbital. Crédit: F. Carbone, EPFL

Autres contributeurs

• École polytechnique de Milan
• Université de Glasgow
• Technion - Institut de technologie d’Israël
• Ripon College (Etats-Unis)
• Université d’Ottawa
• CNR Istituto Nanoscienze
• The Barcelona Institute of Science and Technology
• ICREA-Institució Catalana de Recerca i Estudis Avançats