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Calcul de la durée la plus courte dans les confins de l’espace quantique - Par : Hanen Hattab,

Calcul de la durée la plus courte dans les confins de l’espace quantique


Hanen Hattab
Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

Les dernières avancées dans les technologies du laser et de la spectrométrie ont permis de quantifier la durée la plus courte jamais mesurée d’un état quantique. Des chercheurs ont réussi à déterminer un retard d’un milliardième de milliardième de seconde dans la photo-émission en mesurant le spin des électrons photo-émis sans avoir recours à une horloge.

Les chercheurs qui ont participé à cette étude sont : J. Hugo Dil, Stefan Muff et Mauro Fanciulli de l’Institut de physique de l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Henrieta Volfová, Jürgen Braun et Hubert Ebert du département de chimie de la Ludwig Maximillian University de Munich, Ulrich Heinzmann de la faculté des physiques de l’University of Bielefeld en Allemagne et Jan Minár New du Technologies-Research Center de l’University of West Bohemia de la République tchèque. Cette recherche intitulée « Spin Polarization and Attosecond Time Delay in Photoemission from Spin Degenerate States of Solids » a été publiée le 10 février 2017 par le journal  Physical review letters.

La photo-émission

Certains matériaux émettent des électrons lorsqu’ils entrent en contact avec la lumière. Albert Einstein a gagné le prix Nobel en découvrant ce phénomène, qui s’appelle photo-émission, en 1905. La photo-émission est un phénomène physique important utilisé dans les techniques de pointe de spectroscopie pour étudier les propriétés des électrons sur la surface d’un solide. Les photons envoyés sur un métal peuvent détacher et éjecter les électrons de sa surface : c’est l’effet photoélectrique. La photo-émission est utilisée pour mesurer les niveaux d’énergie et la vitesse des électrons dans la matière. La mesure temporelle effectuée par nos chercheurs s’est penchée sur une propriété particulière de l’électron, à savoir le spin.

Le quatrième nombre quantique

Le spin est la quatrième propriété quantique des particules découverte par les physiciens hollandais George Uhlenbeck et Samuel Goutsmit en 1925. Il est appelé le moment cinétique intrinsèque parce il s’agit du mouvement de rotation de la particule autour d’elle-même. L’axe de rotation d’un électron est défini par une direction dont la mesure du degré d’alignement est nommée la polarisation de spin.

Un déphasage dans les confins du temps quantique

Jusqu’à nos jours, l’échelle de temps dans laquelle le processus de photo-émission se déroule n’a pas encore été explorée en détail. L’hypothèse communément acceptée est la suivante : lorsque la lumière atteint le matériau, les électrons sont instantanément excités et émis. Or des études plus récentes utilisant les nouvelles technologies de spectroscopie ont démontré l’existence d’un retard très court, mesurable à l’échelle de l’attoseconde (soit 10-18 seconde) entre l’absorption des photons et la libération des électrons.

L’équipe a proposé une nouvelle hypothèse selon laquelle ce retard peut être résolu en corrélant la polarisation du spin avec le décalage temporel de la photo-émission. En effet, ils ont pu expliquer ce phénomène en partant du concept nommé le temps de retard d’Eisenbud-Wigner-Smith selon lequel il existe un retard entre l’instant où une onde lumineuse émise touche la surface et le moment de réflexion. Il s’agit d’un phénomène observé par Newton en 1704 et démontré par la théorie de diffusion d’Eugene Wigner en 1955.

Pour calculer le décalage temporel de la photo-émission, les chercheurs n’ont pas utilisé une horloge. Ils ont utilisé la méthode de spectrométrie de photo-émission résolue en spin (SARPES) pour mesurer le spin d’électrons libérés par un cristal de cuivre. Avec les techniques de spectroscopie, comme la SARPES, qui utilisent les rayonnements ultra-violets ou X, on peut détecter la polarisation du spin et l’énergie des électrons éjectés, et déterminer leurs propriétés, donc les caractéristiques du métal.

Dans la physique quantique, la fonction d’onde permet de déterminer la probabilité des coordonnées spatiotemporelles d’une particule. Cette fonction est probabiliste, car le comportement des particules n’est pas certain et bien déterminé comme le comportement des corps dans la physique classique. Des équations de calcul comme l’équation de Schrödinger permettent de conceptualiser et de résoudre la fonction d’onde. Le temps de photo-émission et le spin sont aussi descriptibles par la fonction d’onde (c’est Paul Dirac qui a introduit le spin à l’équation de la fonction d’onde, celle de Schrödinger ne prenait pas en considération ce paramètre). Les chercheurs ont couplé les mesures prédicatives de la fonction d’onde et les mesures de la SARPES pour déterminer le temps zéro de la photo-émission. Ils ont eu recours aussi aux impulsions laser ultra-courtes qui permettent de mesurer la durée du décalage temporel des ondes réfléchies. Le temps t-1 du bombardement de la particule par le photon et le temps d’émission des électrons ont été de fait calculés. Mauro Fanciulli a souligné que grâce à cette nouvelle méthode ils ont pu mesurer une échelle de temps infiniment petite qui n’avait jamais été calculée auparavant.

Hanen Hattab

Profil de l'auteur(e)

Hanen Hattab est doctorante en sémiologie à l’UQAM. Ses recherches portent sur les pratiques d’art et de design subversifs et contre culturels comme le vandalisme artistique, le sabotage et les détournements culturels.

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