À première vue, l’effet photoélectrique expliqué par Albert Einstein en 1905 paraît simple. Un atome absorbe un photon ultra-violet (UV) ou X et répond à cette excitation par l’émission instantanée d’un électron (appelé photoélectron). Or pour certaines énergies d’excitation, il existe deux « chemins » énergétiques possibles pour le photoélectron qui entrent dans une sorte de compétition. Le profil spectral du photoélectron devient alors asymétrique. Le physicien italien Ugo Fano a décrit ce phénomène et donné son nom à ce profil caractéristique.
Mais observer l’évolution d’un profil spectral électronique à l'échelle de la femtoseconde (10-15 s) est un véritable défi expérimental ! Les physiciens du CEA, du CNRS et de l’UPMC l’ont relevé en excitant des atomes d’hélium avec les impulsions harmoniques intenses d'un laser infrarouge, d’une durée de l'ordre d'une femtoseconde. Ils ont ainsi pu mesurer le spectre en énergie des photoélectrons émis avec une résolution temporelle femtoseconde. Le profil de ce spectre, initialement symétrique, évolue en quelques femtosecondes vers la forme asymétrique attendue d’un profil de Fano. Le « film » de la photoionisation de l’atome d'hélium a ainsi pu être reconstitué en une trentaine d’ « images », séparées d’une femtoseconde.
Le procédé mis en œuvre pourrait être appliqué à d’autres atomes, à des molécules de tailles diverses (biomolécules) et à des nanostructures. Complété par la mesure de la distribution spatiale des électrons éjectés il doit permettre de réaliser le film complet en 3D de l’éjection d’un électron, avec la même précision temporelle !
Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec des chercheurs du CNRS et de l’Université Pierre & Marie Curie/Paris Sorbonne (UPMC).