🔬 physique

Attosecond correlation interferometry

Cet article démontre la génération et la caractérisation d'émissions extrêmes ultraviolets attosecondes corrélées par le transfert de corrélations quantiques infrarouges d'un vide comprimé brillant à deux modes vers la génération d'harmoniques hautes, permettant la résolution sous-cycle des corrélations d'amplitude et de phase par interférométrie d'harmoniques paires et révélant une transition vers un quasi-silence dans les fluctuations conjointes sur 30 attosecondes.

Auteurs originaux : Chen Mor, Assaf Shonfeld, Keren Deutsch, Noa Yaffe, Michael Birk, Matan Even Tzur, Barak Dayan, Oren Cohen, Nirit Dudovich

Publié 2026-10-21

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Chen Mor, Assaf Shonfeld, Keren Deutsch, Noa Yaffe, Michael Birk, Matan Even Tzur, Barak Dayan, Oren Cohen, Nirit Dudovich

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La lumière est bien plus qu'un simple faisceau qui illumine une pièce ; c'est un flux de particules appelées photons qui peuvent être liés entre eux de manières qui défient notre intuition quotidienne. Lorsque ces photons sont générés ensemble, ils partagent une connexion secrète, ce qui signifie qu'un changement dans l'un affecte instantanément l'autre, quelle que soit la distance qui les sépare. Les scientifiques utilisent depuis longtemps ces paires liées pour construire des capteurs ultra-précis et des systèmes de communication sécurisés, mais ils les ont principalement étudiées en utilisant une lumière qui oscille relativement lentement, sur des échelles de temps de l'ordre de la femtoseconde. Cela reste incroyablement rapide, mais c'est trop lent pour capturer le mouvement frénétique, sub-cycle, des électrons lorsqu'ils sautent à l'intérieur des atomes. Les électrons se déplacent sur une échelle de temps de l'attoseconde, une unité de temps si brève qu'un milliard de milliards d'entre elles entrent dans une seule seconde. Pendant des décennies, le défi a été de créer et de mesurer ces connexions quantiques à des vitesses aussi extrêmes, une tâche qui nécessite des outils capables de voir la danse invisible des électrons sans troubler l'image.

Une équipe de chercheurs de l'Institut Weizmann de science et du Technion en Israël a maintenant franchi une étape majeure vers la résolution de ce casse-tête. Ils ont réussi à générer et à mesurer des corrélations quantiques dans des impulsions de lumière ultraviolet extrême qui ne durent que quelques centaines d'attosecondes. Pour ce faire, ils ont utilisé une astuce ingénieuse impliquant un processus appelé génération d'harmoniques hautes, où un faisceau laser puissant est projeté dans un gaz, provoquant la libération par les atomes de bouffées de lumière à haute énergie. Dans cette expérience, les chercheurs n'ont pas seulement utilisé un faisceau laser standard ; ils ont ajouté un second champ lumineux plus faible qui contenait des paires de photons liés. Ce champ lumineux spécial, connu sous le nom de vide compressé à deux modes (two-mode bright squeezed vacuum), a agi comme une légère poussée sur les atomes du gaz. À mesure que les atomes réagissaient à cette poussée, ils émettaient des bouffées de lumière ultraviolet extrême qui portaient les mêmes connexions secrètes que la lumière infrarouge d'origine, transférant ainsi efficacement le lien quantique d'une vitesse lente et familière vers le rythme fulgurant du mouvement des électrons.

Les chercheurs ont été confrontés à un obstacle important : les impulsions lumineuses qu'ils ont créées étaient chaotiques, leur luminosité et leur synchronisation fluctuant sauvagement d'une bouffée à l'autre. S'ils avaient observé la lumière d'un seul des canaux liés, le signal serait apparu comme un bruit aléatoire, cachant tout motif sous-jacent. Cependant, en mesurant la lumière des deux canaux simultanément, ils ont pu voir l'ordre caché. Ils ont découvert que, bien que les impulsions individuelles soient bruyantes, les fluctuations dans un canal étaient parfaitement assorties aux fluctuations de l'autre. C'était comme si deux personnes criaient des mots aléatoires, mais que si on les écoutait ensemble, leurs voix annulaient le bruit, révélant un rythme clair et synchronisé. Cela a permis à l'équipe de prouver que les corrélations quantiques avaient survécu au voyage depuis le spectre infrarouge, où elles ont été créées, jusqu'au spectre ultraviolet extrême, où les impulsions lumineuses sont assez courtes pour suivre le mouvement des électrons.

Pour confirmer que ces connexions ne concernaient pas seulement la luminosité mais aussi la précision temporelle des ondes lumineuses, l'équipe a utilisé une propriété unique de la lumière générée. L'interaction entre le laser et le gaz a produit un type spécifique d'impulsion lumineuse qui n'apparaît que lorsque les deux canaux liés travaillent ensemble d'une manière précise. En ajustant soigneusement le timing entre le laser principal et la lumière liée, ils ont observé l'intensité de ces impulsions spéciales monter et descendre selon un motif rythmique. Cette oscillation a prouvé que les deux canaux n'étaient pas seulement liés en intensité, mais qu'ils étaient également verrouillés en phase, ce qui signifie que leurs pics et creux d'ondes étaient synchronisés avec une précision de l'attoseconde. Cette observation a servi de mesure directe de la connexion quantique, confirmant que les chercheurs avaient réussi à transférer la délicate relation quantique vers un nouveau régime ultra-rapide.

Le résultat le plus frappant est venu lorsque l'équipe a reconstruit la forme réelle des impulsions lumineuses dans le temps. Ils ont découvert que, bien que les impulsions individuelles soient un désordre de fluctuations aléatoires, le signal combiné révélait une structure qui était presque silencieuse pendant de brefs instants, suivie de soudaines bouffées de bruit intense. Cette transition du chaos au silence s'est produite en seulement 30 attosecondes. Cette découverte démontre que les corrélations quantiques ne sont pas seulement une curiosité statistique, mais une structure physique réelle qui peut être manipulée et observée. La capacité de générer et de mesurer ces corrélations sur l'échelle de temps naturelle des électrons ouvre une nouvelle porte à la science. Elle suggère qu'à l'avenir, les chercheurs pourraient utiliser ces outils pour observer comment les électrons interagissent entre eux à l'intérieur des molécules et des matériaux, révélant potentiellement de nouvelles façons de contrôler les réactions chimiques ou de comprendre le comportement fondamental de la matière à son niveau le plus basique.

Résumé Technique : Interférométrie de Corrélation Attoseconde

Énoncé du Problème
Les corrélations entre les modes optiques, allant des fluctuations classiques à l'intrication quantique, sont fondamentales pour l'optique moderne et les technologies quantiques. Bien que les mesures de corrélation aient été étendues au régime des rayons X et que les corrélations optiques aient été résolues sur des échelles de temps femtosecondes, sonder ces corrélations sur l'échelle de temps naturelle du mouvement électronique — le régime attoseconde — demeure un défi majeur. Plus précisément, générer des photons corrélés au sein de bouffées attosecondes et détecter leurs corrélations avec une résolution temporelle sous-cycle est resté difficile. Les auteurs visent à combler cette lacune en transférant les corrélations d'origine quantique de l'infrarouge (IR) vers l'extrême ultraviolet (XUV) et en les résolvant avec une précision attoseconde.

Méthodologie
L'étude emploie une configuration à trois champs combinant la génération d'harmoniques hautes (HHG) avec un vide compressé brillant à deux modes (TMBSV) non dégénéré.

Génération de la Source : Un laser de pompe IR à 800 nm est divisé. Une composante cohérente forte pilote la HHG dans un jet de gaz de krypton. Une composante plus faible pompe un processus de conversion paramétrique spontanée descendante (SPDC) non dégénérée dans des cristaux $\chi^{(2)}$ pour générer le TMBSV. Cela crée des modes « signal » ( $\omega_s \approx 0,9$ eV) et « idler » ( $\omega_i \approx 0,62$ eV) spectralement séparés, présentant des fluctuations thermiques complexes et de fortes corrélations d'amplitude et de phase ( $n_s = n_i$ et $\phi_s + \phi_i \approx \text{const}$ ).
Perturbation : Les champs TMBSV perturbent de manière colinéaire le processus de HHG piloté par un champ fort. Cette perturbation modifie l'étape de l'effet tunnel et les trajectoires électroniques, imprimant les fluctuations stochastiques d'amplitude et de phase du champ IR sur le spectre XUV émis.
Cartographie Spectrale : L'interaction génère des « harmoniques fractionnaires » (bandes latérales à $2N \pm \delta_{s,i}$ ) qui héritent des corrélations IR. Crucialement, des processus perturbatifs d'ordre supérieur génèrent des harmoniques pairs ( $2N$ ), qui proviennent de la contribution conjointe des champs signal et idler au sein du même demi-cycle.
Détection Interférométrique : Les harmoniques pairs servent d'interféromètre de coïncidence attoseconde intrinsèque. Comme leur génération implique deux voies quantiques indiscernables (par exemple, l'absorption d'une harmonique impaire versus l'émission d'une autre), leur intensité oscille en fonction du délai entre la pompe et le champ TMBSV. Cette oscillation est sensible à la somme de phase des harmoniques fractionnaires.
Reconstruction : En effectuant des mesures de spectre XUV en coup un (single-shot) à travers différents délais, les auteurs reconstruisent l'émission temporelle. Ils utilisent la covariance d'amplitude mesurée et l'information de phase dérivée des oscillations des harmoniques pairs pour effectuer une reconstruction de Fourier des trains d'impulsions attosecondes.

Contributions Clés et Résultats

Transfert de Corrélations : L'expérience démontre le transfert réussi des corrélations d'amplitude et de phase des modes IR femtosecondes vers les modes XUV à large bande. La matrice de covariance d'amplitude spectrale du XUV révèle une structure à quatre lobes reliant les harmoniques fractionnaires pilotés par le signal et l'idler, reflétant les corrélations du TMBSV IR sur une largeur de bande d'environ 20 eV.
Résolution de Phase Sous-Cycle : La génération d'harmoniques pairs agit comme un détecteur de coïncidence sous-cycle. Alors que les harmoniques fractionnaires présentent individuellement des phases aléatoires d'un tir à l'autre, les harmoniques pairs affichent des oscillations prononcées à la fréquence $2\omega_p$ lors du balayage du délai. Cela confirme que la somme de phase des harmoniques fractionnaires pilotés par le signal et l'idler ( $\phi_{2N\pm\delta_s} + \phi_{2N\pm\delta_i}$ ) reste verrouillée à la phase de la pompe, résolvant ainsi les corrélations de phase avec une précision attoseconde.
Reconstruction Temporelle : La reconstruction temporelle conjointe des deux familles d'harmoniques fractionnaires révèle un motif de bruit distinct à l'échelle attoseconde. Alors que les reconstructions individuelles montrent des structures sous-cycles floues dues aux fluctuations de phase thermiques, le champ conjoint présente une transition claire d'un maximum de fluctuations vers un quasi-silence en environ 30 attosecondes. Cela démontre que la reconstruction conjointe supprime les fluctuations, révélant la dynamique corrélée sous-jacente.
Caractérisation Statistique : L'étude caractérise la statistique de la lumière générée. Les harmoniques fractionnaires présentent des statistiques thermiques ( $g^{(2)}(0) \approx 1,4$ ), tandis que les harmoniques pairs montrent des fluctuations accrues ( $g^{(2)}(0) \approx 3,2$ ) en raison de la nature multiplicative de l'interaction à deux modes.

Signification et Revendications
Les auteurs affirment que ce travail établit un cadre pour générer et sonder les corrélations quantiques sur des échelles de temps attosecondes. En utilisant la HHG comme un convertisseur de fréquence non linéaire qui préserve les structures de corrélation entre modes, l'étude ouvre la voie à une « science attoseconde quantique ». La capacité de résoudre à la fois les corrélations d'amplitude et de phase avec une précision sous-cycle permet l'observation des dynamiques électroniques corrélées sur leur échelle de temps naturelle. Les auteurs suggèrent que cette approche pourrait permettre de nouveaux mécanismes de contraste pour la spectroscopie et la microscopie ultra-rapides, ainsi que l'observation directe et le contrôle des interactions à plusieurs corps et des corrélations électroniques dans la matière, étendant ainsi les concepts de la lumière non classique au domaine de l'attoseconde.

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