Un groupe de recherche du Département de physique de l’Université de Fribourg, dirigé par le Prof. Jean-Claude Dousse et la Dre Joanna Hoszowska, a résolu un casse-tête de physique expérimentale vieux de 85 ans. Ils ont réussi à mesurer un effet que le physicien Werner Heisenberg avait prédit en 1925. Jusqu’ici, toutes les tentatives d’observer cet effet avec des photons avaient échoué. Les résultats, publiés dans la célèbre revue Physical Review Letters, apportent une meilleure compréhension des interactions entre électrons dans un atome et une modélisation plus exacte des systèmes multi-électrons.

La Source européenne de rayonnement synchrotron à Grenoble, où les expériences ont été réalisées. Photo: P. Ginter/ESRF

Le mécanisme de relaxation atomique étudié correspond à la transition simultanée de deux électrons avec émission d’un seul photon dans la région spectrale des rayons X. L’observation de cette transition atomique particulière appelée transition TEOP (two-electron-one-photon c.à.d. deux-électrons-un-photon) représente un défi expérimental très ardu pour deux raisons principales. Tout d’abord, il faut créer un atome creux, c’est-à-dire enlever les deux électrons appartenant à la couche atomique la plus profonde, la couche K. Cette double ionisation peut être réalisée de façon relativement aisée en bombardant les atomes avec des ions lourds, mais, dans ce cas, de nombreux autres électrons sont ionisés en même temps que les deux électrons d’intérêt, ce qui rend les résultats peu fiables et difficilement comparables à la théorie. Cet inconvénient peut être supprimé en remplaçant les ions lourds par des photons. Toutefois, les probabilités de double photo-ionisation K étant très faibles, des faisceaux de photons extrêmement intenses sont nécessaires pour produire suffisamment d’atomes creux. La deuxième raison réside dans le fait que le processus TEOP est extrêmement peu probable en comparaison du mécanisme de relaxation standard dans lequel les deux lacunes K sont comblées séquentiellement. Pour simplifier, on peut dire que pour 2000 atomes creux produits, un seul va se relaxer par la transition simultanée de deux électrons. Pour ces deux raisons, depuis 1925, année durant laquelle l’existence de ces transitions exotiques a été prédite par Heisenberg, toutes les tentatives d’observation de transitions TEOP induites par photoionisation ont échoué.

Relever le défi

En 2009, des physiciens du groupe AXP (Atomic and X-Ray Physics) du Prof. Jean-Claude Dousse de l’Université de Fribourg, en collaboration avec des chercheurs de Grenoble (France), Kielce (Pologne) et Ljubljana (Slovénie), ont à leur tour relevé le défi posé par l’observation des transitions TEOP photo-induites. Comme de telles mesures nécessitent une source de photons très intense et un système de détection de haute résolution, les expériences ont été réalisées auprès de la Source européenne de rayonnement synchrotron (ESRF), à Grenoble. Après plusieurs essais et beaucoup de patience, les efforts du Dre Joanna Hoszowska, l’auteure principale de l’étude, et de ses collègues ont été couronnés de succès, puisque les transitions TEOP ont pu être observées en octobre 2009 dans l’aluminium et le silicium et, en septembre de l’année suivante, dans le magnésium. On notera que, malgré l’intensité extrêmement faible des transitions TEOP, les énergies des trois transitions ont pu être déterminées avec une précision relative remarquable d’environ 0.015%.

En quoi les transitions TEOP sont-elles intéressantes ?

La matière est constituée d’atomes et de molécules. Puisque les propriétés physiques et chimiques de la matière sont principalement régies par la façon dont les électrons interagissent, une bonne compréhension des interactions électron-électron est cruciale en physique atomique. Elle l’est aussi dans d’autres domaines de la physique et en chimie, en particulier lorsqu’il s’agit de faire une description théorique précise de systèmes ou de processus complexes. Malgré cela, la nature des interactions électroniques dans des systèmes multi-électrons n’est pas encore complètement comprise par les scientifiques. Comme les transitions TEOP sont très sensibles à ces interactions, elles offrent des possibilités uniques de vérification des modèles théoriques multi-corps. Pour les probabilités de transition TEOP par exemple, les prévisions théoriques existantes diffèrent jusqu’à un facteur 4 et seulement deux modèles récents (relativistic configuration interaction calculations et many-body perturbation theory) reproduisent les probabilités expérimentales de façon satisfaisante. En conclusion, les résultats obtenus dans le présent travail représentent des points de comparaison importants pour les différents modèles théoriques multi-corps et fournissent de nouvelles informations clés sur la nature des corrélations électroniques pour lesquelles un traitement théorique précis reste encore un formidable défi.

Publication :
First Observation of Two-Electron One-Photon Transitions in Single-Photon K-Shell Double Ionization, Phys. Rev. Lett. 107, 053001 (2011).
http://prl.aps.org/abstract/PRL/v107/i5/e053001

Contacts :
Dre Joanna Hoszowska, Département de physique, 026 300 92 10, joanna.hoszowska@unifr.ch
Prof. Dr. Jean-Claude Dousse, Département de physique, 026 300 90 73, jean-claude.dousse@unifr.ch