Des chercheurs de l’Université de Tsukuba ont montré comment l’ajout d’une minuscule structure de résonateur à un détecteur d’impulsions d’électrons ultrarapides réduisait l’intensité du rayonnement térahertz nécessaire pour caractériser la durée de l’impulsion.
Pour étudier les protéines, par exemple pour déterminer les mécanismes de leurs actions biologiques, les chercheurs doivent comprendre le mouvement des atomes individuels dans un échantillon. C’est difficile non seulement parce que les atomes sont si petits, mais aussi parce que de tels réarrangements se produisent généralement en picosecondes, c’est-à-dire en billionièmes de seconde.
Une méthode pour examiner ces systèmes consiste à les exciter avec une explosion de lumière laser ultra-rapide, puis à les sonder immédiatement avec une impulsion électronique très courte. En se basant sur la façon dont les électrons se dispersent hors de l’échantillon en fonction du temps de retard entre les impulsions laser et électronique, les chercheurs peuvent obtenir de nombreuses informations sur la dynamique atomique. Cependant, caractériser l’impulsion électronique initiale est difficile et nécessite des configurations complexes ou un rayonnement THz de haute puissance.
Maintenant, une équipe de chercheurs de l’Université de Tsukuba a utilisé un résonateur optique pour améliorer le champ électrique d’une impulsion lumineuse térahertz (THz) générée avec un cristal, ce qui réduit la lumière THz requise pour caractériser la durée de l’impulsion électronique. Le rayonnement THz fait référence à des faisceaux de lumière dont les longueurs d’onde se situent entre celles de l’infrarouge et des micro-ondes.
« Une caractérisation précise de l’impulsion électronique de la sonde est essentielle, car elle dure plus longtemps et est généralement plus difficile à contrôler par rapport au faisceau laser d’excitation qui met les atomes en mouvement », explique le co-auteur, le professeur Yusuke Arashida.
Semblable à la façon dont une pièce avec la bonne acoustique peut amplifier la perception du son, un résonateur peut améliorer l’amplitude du rayonnement THz avec des longueurs d’onde qui correspondent à sa taille et à sa forme. Dans ce cas, l’équipe a utilisé un résonateur en forme de papillon, qui avait été précédemment conçu par un groupe de recherche indépendant, pour concentrer l’énergie de l’impulsion. Grâce à des simulations, ils ont découvert que l’amélioration du champ électrique était concentrée là où se trouveraient la « tête » et la « queue » du papillon.
Ils ont découvert qu’ils pouvaient mesurer la durée de l’impulsion électronique jusqu’à plus d’une picoseconde en utilisant la méthode de stries THz. Cette approche utilise la lumière incidente pour étaler l’impulsion électronique le long d’une direction perpendiculaire. Une « strie » dans la caméra est formée avec des informations temporelles désormais codées dans la distribution spatiale de l’image résultante.
« Les mesures ultrarapides utilisant des impulsions d’électrons peuvent montrer la dynamique structurelle au niveau atomique des molécules ou des matériaux lorsqu’ils se détendent après avoir été excités par un laser », explique l’auteur principal, le professeur Masaki Hada.
L’utilisation de ce résonateur avec un champ THz faible et une intensité de quelques kV/cm s’est avérée suffisante pour caractériser des impulsions d’électrons à des échelles de temps picosecondes. Ce travail peut conduire à un examen plus efficace des mouvements au niveau atomique sur des échelles de temps très courtes, ce qui pourrait aider à l’étude de biomolécules ou de matériaux industriels.
L’article est publié dans la revue ACS Photonique.
Plus d’information:
Wataru Yajima et al, Streaking of a Picosecond Electron Pulse with a Weak Terahertz Pulse, ACS Photonique (2022). DOI : 10.1021/acsphotonics.2c01304