Faits marquants scientifiques 2023

L'électron est porteur de la charge électrique élémentaire et d'un spin. Avec l'avènement de la spintronique (ou électronique de spin), ou encore le fait que le spin peut être le support de l'information quantique (qubit), les recherches se poursuivent pour mieux comprendre et maitriser la dynamique du spin de l'électron.

Par des expériences conduites sur la plateforme laser ATTOlab du LIDYL au CEA-Saclay, une collaboration de scientifiques a réussi à étudier la dynamique de relaxation ultrarapide du spin de l'électron dans un cristal de WSe₂, semi-conducteur dont la structure en feuillets bidimensionnels lui confère une structure électronique bien particulière. Le dispositif expérimental combine des impulsions laser ultrarapide, générées par optique non linéaire extrême et la spectroscopie de photoélectrons résolue en spin.

Depuis les débuts de la science ultrarapide, le Laboratoire Interactions DYnamiques et Lasers (LIDYL) développe des sources lasers pulsées toujours plus performantes, afin d’explorer la matière diluée et condensée à des échelles de temps toujours plus fines, atteignant le domaine attoseconde (1 as=10^-18 s).

Au début des années 90, une première révolution technologique a permis l’essor considérable du domaine, avec l’avènement des lasers Titane:Saphir, combinés à la technique d’Amplification à Dérive de Fréquence (CPA)*. Ce type de laser, permettant de générer par conversion de fréquence des impulsions attosecondes, s'est généralisé dans les laboratoires étudiant la dynamique ultrarapide, et la plateforme ATTOLab du LIDYL a été construite autour de ces dispositifs.

Ces dernières années, les performances des lasers basés sur l’ytterbium (milieu amplificateur : cristal de KGd(WO₄)₂, dopé Yb³⁺) ont fortement progressé : couplées à des techniques de postcompression temporelle, ces sources laser concurrencent maintenant celles des lasers Ti:Saphir (cristal de saphir Al₂O₃ dopé Ti³⁺) et ouvrent une nouvelle ère pour l’attophysique. La plateforme ATTOLab, dans sa volonté de rester à la pointe des performances, opère ainsi une migration d’ampleur vers ces systèmes pour l'année 2024 : quatre lignes de lumière attoseconde pilotées par lasers Ytterbium remplaceront les lignes Ti:Saphir existantes, avec des performances améliorées en terme de taux de répétition (40 à 100 kHz)  et fiabilité, associées à un moindre coût de fonctionnement, et une efficacité énergétique de l'ensemble de la chaine laser, 6 fois supérieure à celle des lasers Ti:Saphir.

La génération d’harmoniques d’ordre élevé (n > 10) dans un solide est un processus extrêmement non-linéaire, qui peut être observé lorsqu’un cristal interagit avec un champ laser intense. Elle se traduit par l’émission d’un rayonnement composé de tout un ensemble d'harmoniques de la fréquence du laser excitateur. Plusieurs mécanismes électroniques sont cependant évoqués pour rendre compte de cette observation : transition interbande ou oscillation des électrons intra-bande au sein de la bande de conduction.

L'étude par une équipe du LIDYL/DICO, en collaboration avec le Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), du processus sur un cristal de GaAs permet d'identifier sans ambiguïté les contributions de chacun de ces mécanismes, grâce à la structure électronique bien particulière du cristal.

Cette étude éclaire ainsi d'un jour niveau la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un solide, étape indispensable pour permettre le développement d'une future optoélectronique à la fréquence pétahertz (10¹⁵ Hz).

La spectroscopie utilise largement les effets de polarisation de la lumière pour explorer la structure électronique d'atomes, molécules ou de solides. En particulier une polarisation circulaire indique que la lumière porte un moment angulaire de spin (MAS) non nul, permettant les spectroscopies de dichroïsme circulaire. Un autre mode de polarisation, où le front d'onde est en rotation, est défini par son moment angulaire orbital (MAO). Ces deux moments angulaires (MAS et MAO) portés par les photons sont quantifiés par valeurs entières.

De façon étonnante, il a été récemment établi qu’on peut définir d’autres types de moment angulaire pour les faisceaux de lumière, tout aussi valides. Certains faisceaux, dont la polarisation est topologiquement équivalente à un ruban de Möbius (avec une périodicité d'une double rotation du front d'onde pour retrouver la situation initiale), portent ainsi un moment angulaire généralisé (MAG = MAO+1/2 MAS) quantifié par valeurs demi-entières : 1/2, 3/2, etc.

Ici, des expériences, menée par l'équipe ATTO du LIDYL et leurs collègues, montrent que le MAG peut être transféré à des harmoniques d'ordre élevé, et que les harmoniques conservent la topologie exotique du champ générateur. Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités en spectroscopie atomique et moléculaire, en particulier pour l'étude d’objets chiraux.