Comment une révolution dans la physique pourrait changer la technologie à jamais

Des physiciens de l’Université de Constance ont découvert un moyen d’imprimer une forme géométrique de chiralité jusqu’alors inédite sur des électrons en utilisant la lumière laser, créant ainsi des bobines chirales de masse et de charge.

Cette avancée dans la manipulation de la chiralité électronique a de vastes implications pour l’optique quantique, la physique des particules et la microscopie électronique, ouvrant la voie à de nouvelles explorations scientifiques et innovations technologiques.

Comprendre la chiralité et ses implications

Avez-vous déjà placé la paume de votre main droite sur le dos de votre main gauche, de telle sorte que tous les doigts pointent dans la même direction ? Si c’est le cas, vous savez probablement que votre pouce droit ne touchera pas son homologue gauche. Ni les rotations, ni les translation, ni leurs combinaisons ne peuvent transformer une main gauche en main droite et vice versa. Cette caractéristique est appelée chiralité.

Des scientifiques de l’Université de Constance ont réussi à imprimer une telle chiralité tridimensionnelle sur la fonction d’onde d’un seul électron. Ils ont utilisé la lumière laser pour façonner l’onde de matière de l’électron en bobines de masse et de charge gauches ou droites. De telles particules élémentaires artificielles avec des géométries chirales autres que leur spin intrinsèque ont des implications pour la physique fondamentale mais peuvent également être utiles pour toute une série d’applications, telles que l’optique quantique, la physique des particules ou la microscopie électronique.

« Nous ouvrons de nouvelles perspectives pour la recherche scientifique, qui n’avaient pas encore été envisagées », explique Peter Baum, auteur correspondant de l’étude et directeur du groupe de recherche Lumière et matière à l’université de Constance.

Chiralité de Célibataire Particules et composites

Les objets chiraux jouent un rôle crucial dans la nature et la technologie. Dans le domaine des particules élémentaires, l’un des phénomènes chiraux les plus importants est le spin, souvent comparé à l’autorotation d’une particule, mais qui est en fait une propriété purement quantique sans équivalent classique. Un électron, par exemple, a un spin égal à la moitié et existe donc souvent dans deux états potentiels : un droitier et un gaucher. Cet aspect fondamental de la mécanique quantique donne naissance à de nombreux phénomènes importants du monde réel, comme presque tous les phénomènes magnétiques ou le tableau périodique des éléments. Le spin des électrons est également essentiel au développement de technologies avancées telles que les ordinateurs quantiques ou les supraconducteurs.

Il existe cependant des objets chiraux composites dans lesquels aucun des constituants n’est chiral par lui-même. Notre main, par exemple, est composée d’atomes sans chiralité particulière, mais elle est néanmoins un objet chiral, comme nous l’avons vu précédemment. Il en va de même pour de nombreuses molécules dans lesquelles la chiralité apparaît sans qu’aucun constituant chiral ne soit nécessaire. Le fait qu’une molécule soit dans la géométrie gauche ou droite peut faire la différence entre un médicament curatif et une substance nocive – les deux versions peuvent avoir des effets biologiques très différents en raison de leur géométrie tridimensionnelle différente.

En science des matériaux et en nanophotonique, la chiralité influence le comportement des matériaux magnétiques et métamatériauxconduisant à des phénomènes tels que les isolants topologiques ou le dichroïsme chiral. La capacité de contrôler et de manipuler la chiralité des matériaux composites composés de constituants achiraux offre ainsi un riche outil pour ajuster les propriétés des matériaux en fonction des besoins des applications.

Progrès dans les techniques de manipulation des électrons

Est-il possible de transformer un seul électron en un objet tridimensionnel chiral en termes de charge et de masse ? En d’autres termes : la chiralité peut-elle être induite dans un électron sans avoir besoin de spin ? Jusqu’à présent, les chercheurs n’ont fait que déplacer des électrons le long de trajectoires en spirale ou créer des faisceaux de tourbillons d’électrons dans lesquels la phase de l’onde de Broglie tourne autour du centre du faisceau à charge et masse constantes. En revanche, l’objet à onde de matière chirale que les physiciens de Constance décrivent dans leur article scientifique a une onde de Broglie plate mais les valeurs attendues de charge et de masse sont façonnées en une forme chirale.

Pour créer cet objet, ils ont utilisé un microscope électronique à transmission ultrarapide et l’ont combiné à la technologie laser. Les chercheurs ont d’abord généré des impulsions électroniques femtosecondes, puis les ont façonnées en motifs chiraux en interagissant avec des ondes laser modulées avec précision par des champs électriques en spirale. Normalement, les électrons et les photons laser n’interagissent pas dans une telle expérience, car l’énergie et l’impulsion ne peuvent pas être conservées. Cependant, les membranes en nitrure de silicium, qui sont transparentes aux électrons mais modifient la phase de la lumière laser, ont facilité l’interaction dans l’expérience.

Les champs électriques en spirale de l’onde laser accélèrent ou décélèrent l’électron entrant autour du centre du faisceau, en fonction de la position azimutale. Plus tard dans le faisceau, les électrons accélérés ou décélérés finissent par se rattraper et la fonction d’onde se transforme en une bobine chirale de masse et de charge. « Nous avons ensuite utilisé la microscopie électronique attoseconde pour obtenir une mesure tomographique détaillée de la valeur attendue de l’électron, c’est-à-dire la probabilité d’être quelque part dans l’espace et le temps », explique Baum, expliquant la manière dont ils ont mesuré les formes générées. Des bobines simples ou doubles droites ou gauches sont apparues dans l’expérience. Ni le spin, ni le moment angulaire, ni les trajectoires en spirale n’étaient nécessaires pour produire cette chiralité purement géométrique.

Pour déterminer si l’interaction de bobines électroniques tridimensionnelles avec d’autres matériaux chiraux pouvait préserver la chiralité, les chercheurs ont placé des nanoparticules d’or avec des champs électromagnétiques chiraux dans leur microscope électronique et ont utilisé les bobines électroniques chirales pour mesurer la dynamique de diffusion. Selon que les chercheurs tiraient un électron gaucher sur un objet nanophotonique droitier ou l’inverse, les résultats montraient des phénomènes d’interférence rotationnelle constructifs ou destructeurs. Dans un sens, la chiralité globale n’a jamais disparu.

Un tout nouveau monde de possibilités

La capacité de transformer des électrons en bobines chirales de masse et de charge ouvre de nouvelles perspectives pour l’exploration scientifique et l’innovation technologique. Par exemple, les faisceaux d’électrons chiraux conçus devraient être utiles pour les pinces optiques électroniques chirales, les technologies de capteurs chiraux, la microscopie électronique quantique ou pour sonder et créer un mouvement de rotation dans des matériaux atomiques ou nanostructurés. En outre, ils contribueront à la physique générale des particules et à l’optique quantique.

« Bien que nous n’ayons jusqu’à présent modulé que l’électron, l’une des particules élémentaires les plus simples, la méthode est générale et applicable à presque toutes les particules ou ondes de matière. Quelles autres particules élémentaires ont ou peuvent avoir de telles formes chirales, et y a-t-il des conséquences cosmologiques possibles ? », explique Baum. La prochaine étape des chercheurs consiste à utiliser leurs électrons chiraux dans l’imagerie électronique attoseconde et la microscopie à deux électrons, afin de mieux élucider l’interaction complexe entre la lumière chirale et les ondes de matière chirales pour des applications dans les technologies futures.

Le professeur Peter Baum dirige le groupe de recherche Lumière et matière du département de physique de l’université de Constance. Son équipe a récemment reçu le prix Helmholtz de la recherche fondamentale pour le développement d’une technique innovante de microscopie attoseconde.

Financement : Fondation allemande pour la recherche (DFG ; SFB 1432) et Fondation Dr. KH Eberle