La danse ultra-rapide des électrons

Le transfert d'électrons provoqué par la lumière est au cœur de nombreux processus physiques, comme celui qui permet de rendre des matériaux magnétiques. Mis en évidence en 1996, ce phénomène était resté inexpliqué. Le mouvement des atomes induit-il le transfert d’électrons sous l’action de la lumière, ou vice versa ? Pour résoudre ce dilemme de l’œuf et de la poule, une équipe pilotée par l’Institut de physique de Rennes a utilisé des techniques de pointe.

Laser à rayons X

« Tout comme les stroboscopes de discothèques décomposent le mouvement du danseur, nous avions besoin de décomposer les mouvements des atomes et des électrons », explique Éric Collet¹, médaille d’argent du CNRS 2020. L’échelle de temps nécessaire pour observer ces mouvements est de l’ordre du milliardième de millionième de seconde : la femtoseconde. « Il nous fallait une source de rayons X aux impulsions extrêmement brèves. Avec Marco Cammarata² et des doctorants, nous avons utilisé un laser à rayons X, le X-FEL, à Stanford³. »
Ils ont étudié le transfert d’électrons d’atomes de fer vers des atomes de cobalt⁴. « Nos expériences ont montré que dans un premier temps l’environnement de l’atome de cobalt se transforme. Ensuite seulement l’électron est transféré. La lumière déforme de façon ultra-rapide la molécule, ce qui induit le transfert d’électron. » Le système devient alors magnétique. Ces recherches ouvrent notamment la voie au développement d'une science du contrôle des matériaux par la lumière.