Un diagramme de diffraction réalisé par des rayons X diffusant une molécule d'iode dans un détecteur du SLAC National Accelerator Laboratory. Des centaines de ces motifs du laser à électrons libres à rayons X du laboratoire ont été enchaînés pour créer un "film moléculaire" montrant comment les molécules réagissaient de manière inattendue lorsqu'elles étaient frappées par deux photons de lumière à la fois. Les scientifiques disent que cette nouvelle approche devrait fonctionner avec des molécules plus grosses et plus complexes, trop. Crédit :Bucksbaum group/PULSE Institute
Au cours des dernières années, les scientifiques ont mis au point des outils étonnants - des "caméras" qui utilisent des rayons X ou des électrons au lieu de la lumière ordinaire - pour prendre des instantanés à tir rapide de molécules en mouvement et les enchaîner dans des films moléculaires.
Aujourd'hui, les scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford ont ajouté une autre tournure :en réglant leurs lasers pour frapper les molécules d'iode avec deux photons de lumière à la fois au lieu du photon unique habituel, ils ont déclenché des phénomènes totalement inattendus qui ont été capturés dans des films au ralenti d'à peine des billions de secondes.
Le premier film qu'ils ont fait avec cette approche, décrit le 17 mars dans Examen physique X , montre comment les deux atomes d'une molécule d'iode bougent d'avant en arrière, comme relié par un ressort, et s'envolent parfois lorsqu'ils sont touchés par une lumière laser intense. L'action a été capturée par le laser à électrons libres à rayons X durs Linac Coherent Light Source (LCLS) du laboratoire. Certaines des réponses des molécules étaient surprenantes et d'autres avaient été vues auparavant avec d'autres techniques, les chercheurs ont dit, mais jamais dans un tel détail ou si directement, sans compter sur une connaissance préalable de ce à quoi ils devraient ressembler.
Des examens préliminaires de molécules plus grosses qui contiennent une variété d'atomes suggèrent qu'elles peuvent également être filmées de cette façon, les chercheurs ont ajouté, donnant de nouvelles connaissances sur le comportement moléculaire et comblant une lacune là où les méthodes précédentes ne suffisent pas.
"L'image que nous avons eue de cette façon était très riche, " dit Philip Bucksbaum, professeur au SLAC et à Stanford et chercheur au Stanford PULSE Institute, qui a dirigé l'étude avec le chercheur postdoctoral PULSE Matthew Ware. « Les molécules nous ont fourni suffisamment d'informations pour que l'on puisse réellement voir les atomes se déplacer sur des distances inférieures à un angström, soit environ la largeur de deux atomes d'hydrogène, en moins d'un billionième de seconde. Nous avons besoin d'une vitesse d'obturation très rapide et d'une vitesse élevée. résolution de voir ce niveau de détail, et pour le moment, cela n'est possible qu'avec un laser à électrons libres à rayons X durs comme le LCLS. »
Photons à double canon
Les molécules d'iode sont un sujet de prédilection pour ce genre d'enquête parce qu'elles sont simples :deux atomes seulement reliés par une liaison chimique élastique. Études précédentes, par exemple avec la "caméra électronique" du SLAC, " ont sondé leur réponse à la lumière. Mais jusqu'à présent, ces expériences ont été mises en place pour initier le mouvement des molécules à l'aide de photons uniques, ou des particules de lumière.
Dans cette étude, les chercheurs ont réglé l'intensité et la couleur d'un laser infrarouge ultrarapide de sorte qu'environ un dixième des molécules d'iode interagissent avec deux photons de lumière, suffisamment pour les faire vibrer, mais pas assez pour enlever leurs électrons.
Cette image contient des centaines d'images, ou cadres, d'un "film moléculaire" réalisé avec un laser à rayons X à électrons libres au SLAC National Accelerator Laboratory. Il révèle comment de simples molécules d'iode réagissent de manière parfois inattendue lorsqu'elles sont frappées par deux photons de lumière à la fois, une nouvelle approche qui, selon les scientifiques, devrait fonctionner pour des molécules plus grosses et plus complexes, trop. Chaque image représente un seul motif de diffraction réalisé par des rayons X diffusant des atomes dans une seule molécule, et apparaît comme une fine ligne horizontale, juste un pixel de profondeur. Lorsque vous regardez une bande de couleur unique de bas en haut, de subtiles variations dans les lignes révèlent comment les positions des atomes des molécules se sont déplacées plusieurs fois par picoseconde, ou un milliardième de seconde. Crédit :(Groupe Bucksbaum/Institut PULSE
Chaque coup était immédiatement suivi d'une impulsion laser à rayons X du LCLS, qui a dispersé les noyaux atomiques de l'iode et dans un détecteur pour enregistrer comment la molécule a réagi. En variant la synchronisation entre les impulsions lumineuses et les impulsions de rayons X, les scientifiques ont créé une série d'instantanés qui ont été combinés dans un film d'arrêt de la réponse de la molécule, avec des images de seulement 50 femtosecondes, ou des millionièmes de milliardième de seconde, une part.
Les chercheurs savaient en entrant que frapper les molécules d'iode avec plus d'un photon à la fois provoquerait ce qu'on appelle une réponse non linéaire, qui peut virer dans des directions surprenantes. "Nous voulions regarder quelque chose de plus difficile, des choses que nous pouvions voir qui pourraient ne pas être ce que nous avions prévu, " comme l'a dit Bucksbaum. Et c'est en fait ce qu'ils ont trouvé.
Des vibrations inattendues
Les résultats ont révélé que l'énergie de la lumière a déclenché des vibrations, comme prévu, avec les deux molécules d'iode s'approchant et s'éloignant rapidement l'une de l'autre. "C'est un très gros effet, et bien sûr nous l'avons vu, " a déclaré Bucksbaum.
Mais un autre, un type de vibration beaucoup plus faible est également apparu dans les données, "un processus suffisamment faible pour que nous ne nous attendions pas à le voir, " dit-il. " Cela confirme le potentiel de découverte de cette technique. "
Ils ont également pu voir à quelle distance les atomes se trouvaient et dans quelle direction ils se dirigeaient au tout début de chaque vibration - en comprimant ou en étendant le lien entre eux - ainsi que la durée de chaque type de vibration.
Dans seulement quelques pour cent des molécules, les impulsions lumineuses envoyaient les atomes d'iode s'envoler au lieu de vibrer, tir dans des directions opposées à des vitesses rapides ou lentes. Comme pour les vibrations, les flyoffs rapides étaient attendus, mais les lents ne l'étaient pas.
Bucksbaum a déclaré qu'il s'attend à ce que les chimistes et les scientifiques des matériaux soient en mesure de faire bon usage de ces techniques. Pendant ce temps, son équipe et d'autres au laboratoire continueront de se concentrer sur le développement d'outils pour voir de plus en plus de choses se passer dans les molécules et comprendre comment elles se déplacent. "C'est le but ici, " a-t-il dit. " Nous sommes les cinéastes, pas les écrivains, producteurs ou acteurs. La valeur de ce que nous faisons est de permettre à toutes ces autres choses de se produire, travailler en partenariat avec d'autres scientifiques.
