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On croyait bien connaître l'effet photoélectrique... Erreur !

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L'effet photoélectrique est connu depuis 170 ans et sa compréhension date des travaux d'Albert Einstein en 1905. Mais il réserve encore des surprises, comme le démontre un groupe de physiciens allemands. Sous l'effet de faisceaux lasers intenses, certains atomes ne se comportent pas comme prévu...

Photoionisation de xénon : en (a), l' effet photoélectrique classique dans l'enveloppe électronique extérieure avec un photon et un champ électromagnétique de faible intensité. En (b), une ionisation dans l'enveloppe extérieure est produite par un champ électromagnétique fort mais avec une grande longueur d'onde. En (c), une ionisation multiple se produit dans les couches internes du xénon, comme la couche 4d, avec un champ électromagnétique fort et de courtes longueurs d'onde dans le domaine des rayons x mous. C'est ce cas qui défie la théorie standard. Crédit : Physikalisch-Technische Bundesanstalt 2009

C'est Antoine Becquerel, le grand-père de Henri Becquerel, découvreur de la radioactivité, qui fit le premier la découverte de l'effet photoélectrique avec son fils en 1839. Des années plus tard, le phénomène fut étudié de plus près par Philipp Lenard, qui détermina la formule donnant l'énergie cinétique des électrons éjectés d'un morceau de métal en fonction de la fréquence de la lumière tombant sur une plaque. L'effet était paradoxal dans le cadre de l'électrodynamique des électrons de l'époque résultant des travaux de Maxwell, Thomson et Lorentz. En effet l'énergie des électrons ne semblait pas dépendre de l'intensité de la lumière, en contradiction avec ce que l'on pensait alors des modèles continus de la répartition de l'énergie lumineuse et des premiers modèles de l'atome. C'est Albert Einstein qui, en prenant au sérieux l'hypothèse des quanta d'énergie de Planck, introduits pour obtenir une dérivation théorique de la loi du corps noir, compris le premier ce qui se cachait vraiment derrière les lois de l'effet photoélectrique découvertes par Lenard.

Ses travaux sur les fondements de la mécanique statistique et l'interprétation générale de la formule donnant l'entropie d'un système physique introduit par Boltzmann l'avaient conduit à la conclusion que la lumière devait nécessairement avoir un aspect granulaire. Son énergie était réellement sous forme de paquets liés à une fréquence, contrairement à ce que pensait Max Planck qui ne voyait dans sa formule qu'une simple loi de quantification des échanges d'énergie entre matière et lumière, et pas une quantification intrinsèque de l'énergie du rayonnement elle-même. Comme l'expliquait Einstein dans l'article de 1905 qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 1921, c'est lorsqu'un quanta de lumière d'une fréquence donnée possède une énergie supérieure à un certain seuil (dépendant du métal considéré) que l'émission d'un électron est possible. De manière plus générale, l'effet photoélectrique décrit aussi la photoionisation d'un atome sous l'effet d'un rayonnement électromagnétique.

Albert Einstein. Crédit : Yousuf Karsh

Un phénomène inexplicable

On sait depuis Bohr et les expériences de Franck et Hertz que les atomes sont constitués d'électrons répartis sur des couches possédant des énergies de liaisons déterminées. Lorsque la fréquence d'un rayonnement augmente, la lumière devient capable d'extraire des atomes des électrons dans des couches de plus en plus profondes, c'est-à-dire proches du noyau. Dans le cas des atomes possédant un grand nombre d'électrons, il devient nécessaire d'utiliser un rayonnement à la frontière de l'ultraviolet et des rayons X.

Ces phénomènes sont bien décrits du point de vue théorique par l'électrodynamique quantique. En cherchant à déterminer l'effet d'un rayonnement dans ces longueurs d'onde sur un gaz d'atomes, les physiciens ne s'attendaient donc pas à avoir des surprises... C'est pourtant ce qui vient d'arriver dans le cadre de recherches sur la détermination expérimentale des forces d'ionisation de faisceaux laser sur des gaz de différents atomes conduites à Hamburg.

Les physiciens du Physikalisch-Technische Bundesanstalt cherchaient en effet à obtenir des caractérisations précises des effets sur la matière de laser du type de Flash, acronyme de Free-Electron LASer in Hamburg, dont on prévoit l'usage pour photograver des puces à l'échelle nanométrique et ainsi miniaturiser encore plus les ordinateurs.

Les chercheurs durent se rendre à l'évidence. En utilisant des faisceaux laser de longueurs d'onde de 13 nanomètres et possédant une intensité de plusieurs pétawatts par centimètre carré, des effets d'optique non linéaire imprévus entrent en jeu dans le cas de certains types d'atomes, en particulier le xénon. On assiste alors à la production simultanée de plusieurs électrons - et non d'un seul - à partir d'un seul paquet d'onde lumineuse sous l'action de rayons X mous.

Le mécanisme exact du phénomène n'est pas vraiment compris mais cette variante de l'effet photoélectrique standard, plus exactement de photoionisation, montre à nouveau que des territoires que l'on croyait bien défrichés peuvent encore détenir des secrets.

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