Les scientifiques ont réalisé des progrès significatifs dans la manipulation d’éclats de lumière extrêmement courts, appelés impulsions attosecondes. Des chercheurs du Max Born Institute (MBI) et de DESY ont démontré une lentille plasma capable de focaliser ces impulsions, une avancée qui promet d’améliorer considérablement la puissance disponible pour étudier les mouvements incroyablement rapides des électrons. Les résultats, publiés dans Nature Photonics, ouvrent de nouvelles voies passionnantes pour comprendre et contrôler le comportement des électrons dans les atomes, les molécules et les matériaux solides.
Comprendre les impulsions attosecondes et le défi de la mise au point
Les impulsions attosecondes, qui durent seulement un milliardième de milliardième de seconde, sont des outils essentiels pour observer et manipuler les mouvements des électrons. Cependant, focaliser ces impulsions, qui résident dans les régions ultraviolettes extrêmes (XUV) et rayons X du spectre électromagnétique, a toujours été un obstacle majeur. Les méthodes conventionnelles actuelles ne suffisent pas.
- Miroirs : Bien qu’ils soient couramment utilisés, ils souffrent d’une faible réflectivité et se dégradent rapidement.
- Lentilles traditionnelles : Elles sont efficaces pour la lumière visible, mais ne conviennent pas aux impulsions attosecondes car elles absorbent la lumière XUV et élargissent la durée de l’impulsion.
La solution innovante pour les lentilles plasma
L’équipe de recherche a surmonté ce défi en développant une nouvelle lentille plasma. Le processus consiste à tirer de puissantes impulsions électriques à travers de l’hydrogène gazeux confiné dans un minuscule tube. Cela dépouille rapidement les atomes d’hydrogène de leurs électrons, créant un plasma, un état de la matière dans lequel les électrons sont séparés des atomes. Les électrons se propagent naturellement vers l’extérieur, formant une structure de plasma ressemblant à une lentille concave.
Il est important de noter que, contrairement aux matériaux ordinaires, le plasma courbe la lumière de manière à lui permettre de concentrer, plutôt que de diffuser, les impulsions attosecondes.
Avantages et conclusions clés
La nouvelle lentille plasma offre plusieurs avantages clés :
- Mise au point à large spectre : L’objectif peut focaliser efficacement les impulsions attosecondes sur une gamme de longueurs d’onde XUV.
- Longueur focale réglable : La distance focale de l’objectif peut être ajustée en contrôlant la densité du plasma.
- Taux de transmission élevé : Les chercheurs ont atteint un taux de transmission supérieur à 80 %, ce qui signifie qu’une partie importante des impulsions attosecondes traverse la lentille.
- Remplacement du filtre infrarouge : La lentille plasma filtre efficacement les impulsions infrarouges qui nécessitent généralement des filtres métalliques séparés. La suppression de ces filtres conduit à une source de lumière attoseconde plus forte et plus intense.
Préserver la durée d’impulsion ultrarapide
Pour caractériser pleinement les performances de la lentille plasma, les chercheurs ont effectué des simulations informatiques détaillées. Ces simulations ont révélé que la durée des impulsions attosecondes n’a connu qu’une légère augmentation, de 90 à 96 attosecondes, après avoir été focalisées. De plus, dans des conditions réalistes où les composantes de l’impulsion se déplacent à des moments légèrement différents, la lentille plasma a en fait compressé les impulsions, réduisant la durée de 189 à 165 attosecondes.
Cette avancée élargit considérablement les possibilités des expériences attosecondes, souvent limitées par l’intensité lumineuse disponible.
Le développement de cette lentille plasma représente une avancée substantielle dans le domaine de l’optique ultrarapide, offrant aux scientifiques un nouvel outil puissant pour sonder la dynamique fondamentale des électrons et ouvrant la voie à des applications innovantes dans des domaines tels que la science des matériaux et la technologie quantique.
