Dans un atome

26 juin 2013

ILM - UMR5306

Des physiciens lyonnais ont agrandi à l’échelle macroscopique les fonctions d’onde d’états électroniques excités d’atomes de lithium et en ont obtenu des images directes. Il s’agit de la première réalisation expérimentale du «microscope de photoionisation» proposé il y a 30 ans.

Pour observer la fonction d’onde électronique d’un atome, des physiciens russes ont proposé dans les années 1980 un nouveau concept de microscope. Plutôt que d’agrandir l’image formée par la lumière renvoyée comme le fait un microscope traditionnel, ils ont eu l’idée d’agrandir l’objet observé. Plus précisément, ils ont montré que si l’on détache par photoionisation un électron d’un atome en présence d’un champ électrique statique de géométrie adaptée, la probabilité de détection de cet électron par un détecteur sensible à leur position est l’image agrandie de la projection sur le plan du détecteur de la fonction d’onde électronique. Une équipe de physiciens de l’Institut lumière matière - ILM (CNRS / Univ. Lyon 1), en collaboration avec des collègues de l’Université d’Ioannina (Grèce), de l’Université d’Auburn (USA) et de l’Institut Max Born de Berlin, viennent pour la première fois de mettre en œuvre ce concept de microscope et ont ainsi observé la fonction d’onde d’un électron d’un atome de lithium. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

Dès les années 90, l’amélioration des techniques d’imagerie d’électrons a permis de réaliser les premiers «microscopes à fonction d’onde». Ce fut notamment le cas au Laboratoire Aimé Cotton avec le premier microscope à photodétachement qui a permis d’effectuer des expériences d’interférométrie avec des ondes électroniques. Il a fallu toutefois attendre cette année pour que ce type de dispositif permette de visualiser la fonction d’onde d’un électron dans un atome. Les physiciens de l’ILM ont placé des atomes de lithium dans un champ électrique statique d’amplitude supérieure à celle du champ produit par le noyau atomique au niveau de l’orbitale atomique excitée que l’on souhaite étudier. Une impulsion laser place alors l’électron externe de l’atome de lithium dans cet état excité. N’étant pas retenue par le champ électrique du noyau, l’onde électronique se propage vers un détecteur de particules chargées. Grâce au dispositif d’imagerie mis au point par les chercheurs, cette onde s’agrandit tout en conservant la forme exacte qu’elle a autour du noyau atomique. Comme l’atome de lithium a trois électrons, les physiciens ont aussi mesuré et analysé les modifications apportées à cette image par la présence des électrons qui n’avaient pas été excités.

Ce travail ouvre la voie à un nouveau type de spectroscopie, pour laquelle les fonctions d’ondes atomiques ou les orbitales moléculaires sont directement observées. Il fournit un nouvel outil donnant accès à l’observation directe du rôle des interactions électroniques ou nucléaires qui ont lieu par exemple lors de réactions chimiques.