Par interaction dipolaire électrique, un photon peut exciter un atome, qui passe alors d'un état électronique à un autre, d'énergie supérieure. S'il est éclairé avec un laser intense dont l'énergie est proche de la transition entre ces deux niveaux (résonance), il apparaît un nouvel état quantique, issu de l'état fondamental et consécutif à l'absorption d'un photon. Claude Cohen Tannoudji a proposé de décrire un tel atome en interaction avec un champ électromagnétique comme une entité unique – l'atome « habillé de photons » – ce qui permet d'analyser simplement les propriétés physiques du système.

Du fait de leur interaction avec le champ électromagnétique, les deux états d'énergie proches, celui de l'atome habillé et l'état excité, se trouvent couplés et le système quantique initial à deux niveaux se trouve perturbé. Ainsi, à la résonance, le niveau d'énergie supérieur apparaît dédoublé (doublet d'Autler-Townes) : l'écart en énergie entre ces deux niveaux vaut ℏΩ, Ω étant la fréquence des oscillations de l'occupation des deux états du système (oscillations de Rabi).

Cette interaction cohérente entre atomes et photons a été largement observée et étudiée, de l'infrarouge à l'ultraviolet, mais pas pour des énergies supérieures.

Pour repousser cette limite, des chercheurs de l'Iramis et leurs partenaires ont utilisé les impulsions lumineuses ultracourtes du laser à électrons libres FERMI pour observer le phénomène dans le domaine UVX (photons de 23,7 eV) sur un atome d'hélium, pour une intensité supérieure à 10¹³ W/cm².

Les populations des deux niveaux d'énergie de l'hélium ont été observées par photo-ionisation à un photon pour l'état excité et deux photons pour l'état fondamental. Les spectres des photoélectrons révèlent :

• les oscillations de Rabi entre les deux niveaux d'énergie électronique de l'atome d'hélium,
• le doublet d'Autler-Townes.

Ces éléments montrent le couplage effectif entre l'atome d'hélium et l'impulsion cohérente XUV.

Il devient donc possible de réaliser des expériences impliquant un couplage cohérent entre le champ laser et des molécules ou des nano-objets à des échelles de temps ultracourtes.

Ces travaux ont été menés par une large collaboration internationale, rassemblant des scientifiques de France, Italie, Suède et Allemagne. En particulier, une équipe de l'Université de Lund en Suède a fourni un soutien théorique crucial pour l'interprétation des données expérimentales.