Combinaison de sources de lumière ultraviolette extrême pour résoudre un mécanisme de dissociation mécanique quantique dans les molécules d’oxygène

Pour la première fois, des chercheurs ont réussi à exciter sélectivement une molécule en utilisant une combinaison de deux sources de lumière ultraviolette extrême et à provoquer la dissociation de la molécule tout en la suivant au fil du temps. Il s’agit d’une nouvelle étape vers un contrôle mécanique quantique spécifique des réactions chimiques, qui pourrait ouvrir la voie à de nouveaux canaux de réaction jusqu’alors inconnus.

L’interaction de la lumière avec la matière, en particulier avec les molécules, joue un rôle important dans de nombreux domaines de la nature, par exemple dans les processus biologiques tels que la photosynthèse. Des technologies telles que les cellules solaires utilisent également ce processus.

À la surface de la Terre, c’est principalement la lumière du régime visible, ultraviolet ou infrarouge qui joue ici un rôle. La lumière ultraviolette extrême (XUV), un rayonnement dont l’énergie est nettement supérieure à la lumière visible, est absorbée par l’atmosphère et n’atteint donc pas la surface de la Terre. Cependant, ce rayonnement XUV peut être produit et utilisé en laboratoire pour permettre une excitation sélective des électrons dans les molécules.

Alors que les atomes individuels d’une molécule sont maintenus ensemble par leurs électrons les plus externes dans une sorte de nuage chargé négativement (ils agissent comme une sorte de « colle chimique »), les électrons de la couche interne sont liés plus près d’un noyau atomique et sont donc plus localisés dans le noyau atomique. molécule. Ce sont précisément ces électrons qui peuvent désormais être spécifiquement excités par le rayonnement XUV. Cela permet de nouveaux processus de réaction chimique qui ne se produisent pas naturellement à la surface de la Terre.

Une collaboration de chercheurs sous la direction du groupe du Dr Christian Ott du département du professeur Pfeifer au Max-Planck-Institut für Kernphysik à Heidelberg, en Allemagne, a réussi à combiner deux sources de lumière XUV différentes pour la première fois. temps, afin de résoudre temporellement un mécanisme de dissociation mécanique quantique dans les molécules d’oxygène.

Les travaux de l’équipe sont publiés dans la revue Avancées scientifiques.

Pour y parvenir, d’une part, des impulsions laser sont générées par le processus de génération d’harmoniques élevés (HHG), dans lequel la lumière infrarouge est guidée à travers une cellule à gaz et ainsi convertie en rayonnement XUV, connu par exemple lors du prix Nobel de cette année. Prix ​​de physique. D’autre part, un laser à électrons libres (FEL) est utilisé, dans lequel des électrons accélérés émettent de la lumière XUV. Les deux méthodes génèrent des impulsions XUV d’une durée de femtosecondes, soit un millionième de milliardième de seconde.

Le facteur décisif ici est que les spectres des deux impulsions laser sont très différents. “Les impulsions HHG ont un spectre très large, ce qui signifie qu’elles sont constituées de lumière avec de nombreuses fréquences différentes. Dans le domaine visible, cela pourrait être compris comme différentes couleurs. Les impulsions FEL, en revanche, sont beaucoup plus limitées spectralement”, explique doctorat étudiant et premier auteur de l’étude Alexander Magunia.

Les impulsions FEL sont générées par le laser à électrons libres de Hambourg (FLASH@DESY) et utilisées pour exciter les électrons de la molécule d’oxygène dans un état spécifique. On sait que cet état provoque alors une dissociation de la molécule via deux canaux différents. Cependant, on ne savait pas jusqu’à présent à quelle vitesse cela se produirait. En effet, les atomes de la molécule d’oxygène doivent passer par un processus de « tunnel quantique », ce qui rend les descriptions théoriques exactes plus difficiles.

En ajoutant la deuxième impulsion HHG avec un délai réglable à la première impulsion FEL excitante, cette dissociation moléculaire peut désormais être enregistrée expérimentalement, comme dans une série de photos rapides. Les impulsions HHG permettent de « photographier » d’un coup tous les fragments résultants grâce à leurs empreintes spectrales d’absorption, une étape décisive.

Plus le délai entre les deux impulsions est grand, plus les molécules se sont déjà désintégrées. Cette augmentation des fragments permet à terme aux chercheurs de déterminer la durée du processus et les taux respectifs des deux canaux de désintégration.

La possibilité d’initier des processus électroniques ou moléculaires ciblés avec des impulsions FEL et de lire indépendamment un large éventail d’informations sur l’état de la mécanique quantique de la molécule ou de ses fragments individuels avec les spectres HHG à large bande permettra, espérons-le, d’enregistrer, de comprendre et, à terme, de contrôler davantage de processus. réactions chimiques complexes avec la lumière dans le futur.