Savez-vous à quoi ressemble un électron ? Abandonnez l’image habituelle d’une minuscule particule sphérique orbitant autour du noyau atomique. Pour la physique quantique, l’électron est à la fois une particule et une onde similaire à celles produites à la surface d’un liquide, lorsqu’une goutte d’eau entre en contact avec lui. Difficile à observer, ce dernier est extrêmement petit et rapide, obligeant les chercheurs à avoir recours à une technique inspirée du cinéma pour le filmer.

Avant de percer les mystères de l’électron, intéressons-nous tout d’abord au cinéma. Il y a près de 120 ans au cœur de la ville de Lyon, dans une rue du quartier Monplaisir, les frères Lumière, Auguste et Louis, tournent le premier film de l’histoire du cinéma. Le principe est simple, si nous conservons l’exemple de notre goutte d’eau, une caméra rapide capture des images successives de sa chute, de l’instant où elle entre en contact avec la surface du liquide, au déploiement du mouvement de l’onde. Une fois assemblés, les instantanés successifs permettent de reconstituer l’action dans sa totalité.

Si, au cinéma, un obturateur qui s’ouvre et se referme pour laisser entrer la lumière 24 fois par seconde, est suffisant, cela ne marche plus pour suivre un électron à l’échelle de l’attoseconde (1 milliardième de milliardième de seconde). En effet, à une dimension aussi petite, la matière est constituée de particules qui se déplacent à des vitesses très élevées. Les scientifiques ont alors recours à une méthode alternative basée sur des flashs lasers : l’un lance le mécanisme, le second « éclaire » l’objet et le photographie. L’opération est renouvelée plusieurs fois avec des temps qui s’allongent entre les deux impulsions pour obtenir le film. Grâce à ce procédé, il devient possible de filmer des électrons et de découvrir qu’ils n’orbitent pas autour du noyau de l’atome. Ils sont potentiellement en mesure de se trouver immobiles mais peuvent aussi se mettre en mouvement à des échelles de temps attosecondes.

L’enjeu de ces travaux est double : d’une part, la mise au point d’une technique capable de réaliser des photographies des électrons et d’autre part, la volonté de parvenir à mieux cerner leur nature et leur comportement. L’objectif est d’arriver à mettre en place de nouvelles applications, notamment dans les domaines de la chimie ou de l’électronique, en remplaçant par exemple les diodes contenues dans certains appareils, par des composants moléculaires ou atomiques afin d’en optimiser les qualités.

Merci à Franck Lépine pour sa contribution.