Des hologrammes d'atomes avec des électrons

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences

Vieille de plus de 50 ans, l’holographie est généralement associée au laser. On vient d’utiliser ses principes pour créer des hologrammes d’atomes de xénon à l'aide... d'électrons. La technique est prometteuse pour étudier molécules et réactions chimiques.

Les principes de l’holographie ont été découverts par Dennis Gabor vers 1947. Le futur prix Nobel de physique cherchait un moyen d’améliorer la résolution des microscopes électroniques afin d’observer des atomes formant des réseaux cristallins. En théorie, l’onde associée par de Broglie à un électron possédait une longueur d’onde suffisamment petite dans les microscopes de l’époque pour que la limite imposée par la diffraction à la résolution de ces derniers ne soit pas un obstacle.

Malheureusement, il existait une autre limite théorique découlant en pratique de ce qui tient le rôle d'une lentille dans un microscope électronique. Un effet d’aberration sphérique ruinait les efforts pour obtenir une image de bonne qualité si l’on voulait atteindre la résolution voulue.

La révolution du laser

Gabor réalisa cette année-là que, si l’on enregistrait non pas seulement l’intensité mais aussi la phase des ondes de matière, on pouvait contourner le problème. En mettant en principe cette idée, il devint rapidement clair que des hologrammes pouvaient aussi être réalisés avec de la lumière.

Les idées de Gabor ne rencontrèrent que peu d’échos jusqu’à ce que l’on réalise les premiers lasers. C’est donc au début des années 1960 que la carrière des hologrammes débuta vraiment, devenant plus tard une icône populaire comme le montrent bien les films Star Wars.

De nos jours, on sait voir des atomes avec un microscope électronique. Mais à l’époque de Gabor, il n’existait pas de faisceaux d’électrons suffisamment cohérents pour réaliser des hologrammes, comme ce qui a été rapidement fait pour la lumière. Un groupe de chercheurs du FOM-Institute AMOLF d’Amsterdam et du Max Born Institute de Berlin vient d’effectuer en quelque sorte un retour aux sources en utilisant un laser pour produire des électrons cohérents et produire des hologrammes d’atomes.

Le retour aux ondes de matière

Grâce au laser à électrons libres FELICE (Free Electron Laser for Intracavity Experiments) du FOM-Institute, il est possible d’arracher des électrons à des atomes de xénon puis de renvoyer ces particules en direction des ions ainsi produits. Une partie des électrons arrachés par la lumière infrarouge du laser ne subit pas l’influence des ions. L'autre partie est affectée par leur champ électrostatique. En combinant et en enregistrant les deux faisceaux d’électrons produits, on obtient finalement l’hologramme prédit et recherché par Gabor.

En utilisant ces hologrammes pour développer un nouveau type de spectroscopie avec des photoélectrons ultrarapides, les chercheurs pourraient être en mesure de mesurer directement les mouvements des électrons et des ions sur une échelle de temps de l’ordre de l’attoseconde. Une perspective particulièrement utile pour comprendre les réactions chimiques au niveau le plus fondamental, en particulier dans les molécules qui ne peuvent pas être facilement étudiées par d'autres méthodes.