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Première "photographie" d’électrons en mouvement dans une molécule

samedi 27 février 2010, par La Rédaction

La première "photographie instantanée" d’électrons en mouvement au coeur d’une molécule vient d’être obtenue par des équipes du CEA (1), du CNRS et de l’Université Pierre et Marie Curie (2). Cette photographie par rayonnement X a été obtenue en couplant une résolution temporelle extrêmement élevée, à l’échelle de l’attoseconde (3), à une résolution spatiale très fine (de l’ordre de l’Angström (4)). Ce résultat fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Physics du 1er mars.
À l’échelle microscopique, la physique quantique interdit de mesurer simultanément et de façon précise la position et la vitesse d’une particule (c’est le fameux principe d’incertitude d’Heisenberg). De plus, à cette échelle, toute mesure vient perturber le système et le fige dans un état quantique qui était indéterminé avant la mesure. Les mesures que l’on effectue sur la vitesse, la position ou toute autre grandeur physique de particules subatomiques n’expriment donc pas des certitudes, mais seulement des probabilités.
La modélisation de ces mesures probabilistes pour décrire les atomes et les molécules reposent directement sur la notion de fonctions d’onde appelées « orbitales » dans ce contexte, qui d’un point de vue formel, ne sont que des intermédiaires mathématiques.
Ce qui a donné lieu à de nombreuses discussions autour de la question suivante : les fonctions d’onde sont-elles observables ou ne sont-elles qu’un outil mathématique ?
Un pas a été franchi en 2004 lorsqu’une équipe canadienne a proposé un moyen de visualiser une orbitale moléculaire (5) à partir de données expérimentales. La méthode repose sur une analyse tomographique du rayonnement X émis par des molécules excitées par une impulsion laser intense.
Pour la première fois, une telle reconstruction vient d’être réalisée par une collaboration réunissant le groupe de théoriciens animé par Richard Taïeb (LCPMR, UPMC/CNRS) et le groupe d’expérimentateurs piloté par Pascal Salières (CEA/Iramis). Spécialisées dans la caractérisation, le contrôle et l’exploitation du rayonnement X
attoseconde généré en champ laser intense, ces équipes sont parvenues à créer les conditions permettant de reconstruire simultanément les deux orbitales les plus externes de la molécule de diazote N2.
Tirant bénéfice du caractère ultrabref de l’émission X, ces chercheurs ont obtenu un "instantané" de la fonction d’onde des électrons de la molécule excitée par le laser, 1500 ±
300 attosecondes (as) après sa mise en mouvement. Ces nouveaux résultats montrent que, dans certaines conditions, les fonctions d’ondes sont observables.
Il est dorénavant possible de suivre la dynamique ultra-rapide des électrons dans les molécules, en combinant une résolution spatiale de l’ordre de l’Angström et une résolution
temporelle attoseconde. On peut ainsi espérer réaliser des "films" expérimentaux montrant des orbitales moléculaires se réarrangeant à diverses étapes de réactions chimiques.

Notes :
(1) CEA-Iramis (Institut Rayonnement Matière)
(2) Laboratoire de Chimie Physique - Matière et Rayonnement (UPMC/CNRS)
(3) L’attoseconde (10-18 seconde) équivaut à un milliardième de milliardième de seconde. C’est l’échelle de temps caractéristique du mouvement des électrons dans les atomes et molécules, et la limite actuelle des temps mesurables expérimentalement. Mille fois plus longue, la femtoseconde (10-15 seconde) est l’échelle de temps caractéristique du mouvement des atomes dans les molécules.
(4) 10-10 mètres
(5) Une orbitale moléculaire décrit la distribution spatiale de la probabilité de présence de l’électron impliqué dans une liaison chimique. Bien souvent, la réactivité des molécules peut être directement interprétée par le biais des orbitales moléculaires et de leurs géométries.

Références :
S. Hässler et al., « Attosecond imaging of molecular electronic wavepackets », Nature Physics, 1er mars 2010

Photo :
Une représentation d’une orbitale moléculaire