La photographie mesure la quantité de lumière de couleurs différentes qui atteint la pellicule. Cependant, la lumière est aussi une onde, caractérisée par conséquent par une phase. Cette dernière indique la position d’un point dans le cycle d’ondes et est corrélée à la profondeur de l’information; en d’autres termes, enregistrer la phase de la lumière diffusée par un objet permet d’obtenir sa forme complète en 3D. Une simple photographie ne peut pas parvenir à ce résultat. Il s’agit de la base de l’holographie optique, rendue célèbre par les hologrammes fantaisistes des films de science-fiction comme Star Wars.

La résolution spatiale de la photographie/de l’hologramme est limitée par la longueur d’onde de la lumière, qui se situe autour de 1μm (0,001mm) ou juste en dessous. Ce qui n’est pas un problème pour les objets macroscopiques l’est par contre en nanotechnologie.

Deux avantages cruciaux

Des chercheurs du laboratoire de Fabrizio Carbone ont développé une méthode pour observer le comportement de la lumière à très petite échelle, bien au-delà des limitations imposées par la longueur d’onde. Ils ont utilisé un média photographique des plus inhabituels: des électrons en propagation libre. Appliquée dans leur microscope électronique ultrarapide, cette méthode peut coder des informations quantiques dans un motif holographique de lumière capturé dans une nanostructure. Elle repose sur un aspect exotique de l’interaction entre les électrons et la lumière.

Les scientifiques ont utilisé la nature quantique de l’interaction entre les électrons et la lumière pour différencier le faisceau d’électrons de référence des faisceaux d’imagerie électronique par l’énergie et non l’espace (phase). Cela permet désormais d’utiliser les impulsions lumineuses pour crypter l’information sur la fonction d’onde de l’électron, laquelle peut être représentée grâce à un microscope électronique en transmission ultrarapide.

Cette nouvelle méthode peut nous procurer deux avantages cruciaux: d’une part, elle peut fournir des informations sur la lumière elle-même, ce qui en fait un outil puissant pour visualiser des champs électromagnétiques avec la précision de l’attoseconde dans le temps et du nanomètre dans l’espace; d’autre part, la méthode peut être appliquée en informatique quantique pour manipuler les propriétés quantiques des électrons libres. 

Nik Papageorgiou

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