Mesurer le temps sans horloge

Lorsque la lumière frappe certains matériaux, elle suscite une émission d'électrons. Ce phénomène, appelé «photoémission», a été découvert en 1905 par Albert Einstein, ce qui lui a valu le Prix Nobel. Mais c'est seulement au cours des dernières années, avec les progrès de la technologie du laser, que les scientifiques ont pu approcher les échelles de temps incroyablement courtes de la photoémission. Des chercheurs de l'EPFL viennent de déterminer un décalage d'un milliardième de milliardième de seconde dans une photoémission en mesurant le spin des électrons photo-émis sans devoir utiliser des impulsions laser ultracourtes. Ce travail est publié dans Physical Review Letters.

Photoémission

La photoémission s'est avérée être un phénomène important, créant une plate-forme pour les techniques spectroscopiques de pointe qui permet aux scientifiques d'étudier les propriétés des électrons dans un solide. Une de ces propriétés est le spin, la rotation, une propriété quantique intrinsèque des particules qui donne l'impression qu'elles tournent autour de leur axe. Le degré avec lequel cet axe est aligné dans une direction particulière est appelé polarisation du spin, et c'est ce qui confère à certains matériaux, comme le fer, des propriétés magnétiques.

Bien que de grands progrès aient été faits dans l'utilisation de la photoémission et de la polarisation du spin des électrons photo-émis, l'échelle de temps dans laquelle l'ensemble du processus se produit n'a pas été explorée dans tous les détails. L'hypothèse couramment admise est que, lorsque la lumière atteint le matériau, des électrons sont instantanément excités et émis. Toutefois, des études plus récentes, utilisant une technologie laser avancée, ont remis cette hypothèse en question, en montrant qu'en réalité, il existe un décalage de temps, de l’ordre d’attosecondes.

Le temps sans horloge

Le laboratoire de Hugo Dil à l'EPFL, avec des collègues en Allemagne, a montré que durant la photoémission, la polarisation du spin des électrons émis peut être corellée avec les décalages de temps de la photoémission. Plus important, ils ont fait cette démonstration sans devoir recourir à quelque mesure de temps que ce soit – en d'autres termes, sans devoir recourir à une horloge. Pour y arriver, les scientifiques ont utilisé un type de spectroscopie de photoémission (SARPES) pour mesurer le spin d'électrons photo-émis par un cristal de cuivre.

«Avec des lasers, vous pouvez mesurer directement le décalage de temps entre différents processus, mais il est difficile de déterminer le moment où un processus démarre – le temps zéro», dit Mauro Fanciulli, un doctorant du groupe de Dil et auteur principal de l'article. «Mais avec notre expérience, nous mesurons le temps d'une manière indirecte, et ainsi nous n'avons pas ce problème – nous avons pu accéder à l'une des échelles de temps les plus courtes jamais mesurées. Les deux techniques [spin et laser] sont complémentaires, et ensemble elles peuvent fournir un champ d'informations complètement nouveau.»

L'information relative à l'échelle de temps de la photoémission fait partie de la fonction d'onde des électrons émis. Il s'agit d'une description quantique de la probabilité de l'endroit où un électron quelconque peut être trouvé à n'importe quel moment. Avec SAPRES, les scientifiques ont pu mesurer le spin des électrons, ce qui à son tour leur a permis d'accéder à leurs propriétés de fonction d'onde.

«Ce travail est une démonstration de principe susceptible de déclencher de futures recherches fondamentales et appliquées», dit Hugo Dil. «Il traite de la nature fondamentale du temps lui-même, et permettra de comprendre les détails du processus de photoémission, mais il peut aussi être utilisé en spectroscopie de la photoémission sur des matériaux intéressants». Parmi ces matériaux, il y a le graphène et des supraconducteurs à haute température, que Dil et ses collègues étudieront prochainement.

Ce travail résulte d'une collaboration entre l'Institut de Physique de l'EPFL, l'Institut Paul Scherrer (Swiss Light Source), la Ludwig Maximillian University, l'Université de Bohême occidentale, et l'Université de Bielefeld. Il a été financé par le Fonds National Suisse, le Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), la Deutsche Forschunggemeinschaft (DFG), et le Ministère de l'éducation de la République tchèque.

Référence

Mauro Fanciulli, Henrieta Volfová, Stefan Muff, Jürgen Braun, Hubert Ebert, Jan Minár, Ulrich Heinzmann, J. Hugo Dil. Spin polarization and attosecond time delay in photoemission from spin degenerate states of solids. Physical Review Letters February 10, 118:6 (067402). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.067402