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Institut de Physique
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Photographier directement la fonction d’onde d’un
électron dans un atome
Juin 2013
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 modications 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.
Wave Function Microscopy of Quasibound Atomic States, S. Cohen1, M. M.
Harb2, A. Ollagnier2, F. Robicheaux3, M. J. J. Vrakking4, T. Barillot2, F. Lepine2,
et C. Bordas2, Physical Review Letters, 110, 183001 (2013)
En savoir plus
Franck Lépine, chargé de recherche CNRS
Contact chercheur
• 1 Physics Department, Atomic and Molecular Physics Laboratory,
University of Ioannina, Greece
• 2 Institut Lumière Matière (ILM)
• 3 Department of Physics, Auburn University, USA
• 4 Max-Born-Institut, Germany
Informations complémentaires
Image mesurée par le microscope de photoionisation de l’ILM, de l’onde électronique
d’un état excité Stark conné autour du noyau de l’atome de Lithium.