Dans ses recherches, Markus Koch, Professeur associé à l'Institut de physique expérimentale de l'Université de technologie de Graz (TU Graz), se concentre sur les processus dans les molécules et les clusters qui se déroulent sur des échelles de temps de picosecondes (10-12 secondes) et femtosecondes (10-15 secondes).

Maintenant, Koch et son équipe ont réalisé une percée dans la recherche sur des systèmes moléculaires complètement nouveaux. Par spectroscopie femtoseconde, qui permet de mesurer des processus ultrarapides de manière résolue en temps, les chercheurs de Graz ont pu décrire exactement les processus dans une gouttelette d'hélium superfluide d'environ cinq nanomètres après la photoexcitation d'un atome à l'intérieur.

Cette étape importante dans la recherche fondamentale a un impact sur l'étude expérimentale des atomes et des molécules. Markus Koch explique l'approche pionnière :« Notre institut, dirigé par Wolfgang Ernst, a une longue tradition dans la production et l'étude de nouveaux systèmes et clusters dans un fluide quantique de taille nanométrique. Nous combinons désormais cette expertise avec la spectroscopie femtoseconde. Cela nous permet d'observer et de mesurer les processus, déclenchés par photoexcitation en temps réel et de décrire leur dynamique. Nous sommes le premier groupe de recherche à avoir observé cela. » Les résultats de la recherche viennent d'être publiés dans Communication Nature .

Une technique riche en superlatifs

Pour étudier ce processus fondamental qui se déroule sur une échelle de temps ultracourte de seulement un billionième de seconde, l'équipe dirigée par Markus Koch applique la spectroscopie femtoseconde. La méthode femtoseconde pompe-sonde fournit des instantanés des mouvements atomiques. Pour l'expérimentation, un seul atome d'indium est introduit dans une minuscule gouttelette d'hélium.

L'atome d'indium est soumis à une excitation de pompe au moyen d'une courte impulsion et transfère ensuite de l'énergie à l'hélium environnant, qui se met à osciller collectivement. Un second éclair de lumière temporisé sonde ensuite le système afin d'en observer la dynamique.

Bernhard Thaler, un doctorat étudiant à l'Institut de physique expérimentale qui est fortement impliqué dans la recherche de pointe, explique ce qui se passe :« Quand nous photoexcitons l'atome à l'intérieur de la gouttelette d'hélium, sa couche électronique se dilate et la bulle enveloppante augmente en une picoseconde après la stimulation. Nous observons en outre que l'atome d'indium est éjecté de la gouttelette après environ 50 à 60 picosecondes. Nous avons pu obtenir cette idée mécanique pour la première fois avec l'expérience femtoseconde."

Un processus caractérisé par des superlatifs :des mouvements ultrarapides sur des échelles de temps femtosecondes à l'intérieur de gouttelettes d'hélium de taille nanométrique (soit moins d'un millième du diamètre d'un cheveu), à une température ultra-basse de 0,4 Kelvin au-dessus du zéro absolu. L'équipe a pu illustrer très clairement ce processus à l'aide d'un logiciel de simulation.

De la preuve de concept à l'application dans des molécules complexes

Fort de ce succès de recherche, Markus Koch et son équipe ont réussi à prouver de manière impressionnante que l'ultrarapide, la dynamique électronique et nucléaire des particules à l'intérieur des gouttelettes d'hélium superfluide peut être observée et simulée. Suite à ce succès de recherche, Markus Koch regarde déjà vers l'avenir. "Aujourd'hui, nous expérimentons toujours avec des atomes simples, " dit Koch, "mais après cette preuve de concept, nous nous dirigeons à pas de géant vers l'application de nanogouttelettes d'hélium pour étudier la dynamique dans des systèmes moléculaires auparavant inconnus ou fragiles d'importance technologique ou biologique."