L’émission de champ d’électrons est un domaine d’étude important en science et technologie, avec des applications dans le traitement du signal et l’imagerie à l’échelle atomique. Les progrès des techniques de microscopie électronique ont permis de visualiser la matière aux échelles spatiales et temporelles originales de la dynamique électronique. Cependant, l’analyse des impulsions électroniques attosecondes reste un défi majeur.
Des impulsions de lumière sont émises par des électrons explosant d’une nanopointe métallique qui ne dure que 53 attosecondes. Crédit image : Eleftherios Goulielmakis, Université de Rostock
Article récemment publié dans la revue la nature se concentre sur cette question en utilisant des transitions optiques intenses de sous-cycles pour générer un champ optique d’émission d’impulsions d’électrons à partir de nanopointes de tungstène afin d’analyser directement la cinétique d’émission en temps réel.
Émission de champ d’électrons : un bref aperçu
L’émission de champ d’électrons est un aspect important de nombreux développements scientifiques et technologiques, du traitement du signal à haute fréquence à l’imagerie de la matière à l’échelle atomique.
Les progrès des techniques de microscopie électronique ont permis la visualisation complète de la matière sur les échelles spatiales et temporelles originales de la dynamique électronique, mais nécessitent des méthodes qui peuvent contraindre et examiner l’émission de champ sur des échelles de temps inférieures à la femtoseconde.
Des impulsions laser intenses ont été utilisées pour y parvenir en démontrant le confinement femtoseconde et le contrôle de sous-cycle optique de l’émission de champ optique à partir de métaux nanostructurés. Cependant, la mesure des impulsions d’électrons attosecondes est restée insaisissable. Le suivi en temps réel des impulsions électroniques générées dans le champ optique d’émission est l’un des enjeux majeurs dans le domaine de la dynamique électronique.
Bien que des méthodes typiques de ligne attoseconde aient été explorées pour cartographier les informations temporelles des excitations d’électrons ultraviolets extrêmes (EUV) des surfaces métalliques et des pointes à l’échelle nanométrique, ces méthodes ne peuvent pas analyser directement les impulsions d’électrons qui apparaissent dans l’émission du champ optique.
Défis importants dans le domaine de l’émission d’électrons
Malgré les avantages potentiels de l’exploitation des impulsions électroniques résultant de l’émission de champ optique pour une nouvelle spectroscopie avec une résolution spatio-temporelle et à l’échelle nanométrique, des obstacles importants subsistent.
Ces défis incluent la génération d’impulsions laser courtes et intenses pour piéger les électrons à effet tunnel et la transmission d’une longueur d’onde de Broglie adaptée à l’étude à l’échelle atomique, ainsi que le développement de la spectroscopie attoseconde in situ qui peut incorporer des portes temporelles d’émission de champ optique sans s’appuyer sur un rayonnement harmonique élevé. .
Les présentes observations ont permis d’accéder à la forme d’onde du champ moteur des ondes lumineuses et aux fluctuations d’énergie de coupure des électrons redistribués. Cependant, l’observation précise et résolue dans le temps des impulsions d’électrons attosecondes dans l’émission du champ optique est une lacune majeure de la recherche.
Qu’ont fait les chercheurs ?
La méthodologie utilisée dans cette étude implique une analyse d’émission de champ dans des nanopointes de tungstène à l’aide d’un phototransitoire sous-cycle intense créé dans un composite de champ lumineux.
Les investigations ont été réalisées dans une configuration expérimentale à multiples facettes intégrant des spectromètres d’émission optique atomique et solide, des méthodes de mesure de sonde de pompe optique et un deuxième flash EUV pour enregistrer les formes d’onde du champ d’entraînement.
À l’aide d’un capteur à plaque, la non-linéarité du rendement électronique par rapport à l’intensité du champ moteur a été étudiée. L’intensité maximale la plus élevée enregistrée était de 42 TW cm-2avec jusqu’à 1000 électrons par impulsion.
Une émission non linéaire de 1,18 ± 0,09 est observée, ce qui est inférieur à la barrière multiphotonique et confirme l’hypothèse selon laquelle l’effet tunnel d’électrons piloté par le champ contrôle l’ionisation du tungstène. Ensuite, l’émission dans la région du spectre sous des champs conducteurs définis avec précision a été étudiée pour déterminer si elle correspondait aux hypothèses des modèles semi-classiques.
développements importants
L’étude présentée ici a démontré avec succès la mesure directe des impulsions d’électrons attosecondes dans l’émission du champ optique. Cette réalisation élargit la gamme d’outils scientifiques ultrarapides à la disposition des chercheurs. Il ouvre de nouvelles possibilités pour suivre la dynamique des électrons interconnectés ou collectifs ultrarapides dans divers matériaux déposés ou attachés à des nanobâtonnets de tungstène.
« En utilisant des impulsions lumineuses constituées d’un seul cycle de son champ, il est maintenant possible de donner aux électrons un coup de pied contrôlé avec précision pour les libérer de la pointe de tungstène dans un laps de temps très court.explique Eleftherios Goulielmakis, responsable du groupe de recherche.
Les impulsions d’électrons croissantes peuvent également être utilisées dans des expériences de diffraction d’électrons induites résolues au laser au niveau des pointes de nanopointes, ainsi que dans des expériences de nanodiffraction ex situ dans des échantillons placés à une distance nanométrique de l’apex de la pointe.
Ces avancées pourraient ouvrir de nouvelles voies pour sonder la structure et la dynamique de la matière condensée en quatre dimensions. Les recherches futures peuvent se concentrer sur le développement de la technique et son application à une large gamme de matériaux et de systèmes.
Référence
Kim, Hai et al. (2023). Émission de champ attoseconde. la nature. Disponible à: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05577-1
