Pourtant, le développement de techniques expérimentales sous-tend de manière cruciale l’exploration de nouveaux matériaux, ouvrant la voie à des découvertes révolutionnaires. Ces techniques permettent aux scientifiques d'approfondir les propriétés chimiques et physiques d'un matériau, ouvrant ainsi la voie à des informations essentielles à la réalisation de leurs applications potentielles.

Dans une étude récente publiée dans le Journal of Physical Chemistry A , une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Kaori Niki de l'Université de Chiba, au Japon, a rapporté une nouvelle méthodologie pour visualiser expérimentalement les orbitales moléculaires (MO) :la distribution et l'état des électrons dans une molécule donnée.

Leur dernier article, soumis le 29 septembre 2023 et publié en ligne le 26 mars 2024, a été co-écrit par Rena Asano et le professeur Manabu Hagiwara de l'Université de Chiba, le professeur Yoichi Yamada de l'Université de Tsukuba et le professeur . Kazushi Mimura de l'Université de la ville d'Hiroshima.

La méthode proposée est centrée autour de la tomographie orbitale à photoémission (POT). Cette technique consiste à mesurer la distribution et la quantité de mouvement des électrons libérés tout autour d'un matériau après avoir absorbé l'énergie de la lumière entrante. En cartographiant ces variables, on peut alors théoriquement déterminer les MO du matériau.

Bien qu’il soit prometteur, le POT traditionnel est confronté à plusieurs défis qui limitent considérablement son applicabilité. Premièrement, plusieurs séries de mesures POT sont nécessaires pour sonder le matériau à différentes énergies de photons et reconstruire les MO tridimensionnels. Cela prend du temps et nécessite des protocoles expérimentaux complexes.

Deuxièmement, pour tenir compte correctement des différences d'orientation moléculaire et des déformations dans un matériau donné, il est nécessaire de combiner le POT avec d'autres techniques analytiques, ce qui est assez coûteux et fastidieux. Troisièmement, les techniques POT traditionnelles sont sensibles au bruit dans les données mesurées, ce qui rend difficile l'observation de petits MO.

Pour remédier à toutes ces limitations, l'équipe du professeur Niki a développé une nouvelle technique POT basée sur un outil d'analyse mathématique appelé algorithme PhaseLift. Cet algorithme est conçu pour résoudre un problème fondamental du traitement du signal et de l'image :la reconstruction d'un signal ou d'une image à partir de mesures incomplètes ou indirectes.

Grâce à PhaseLift, les chercheurs ont simplifié les cartes de moment photoélectronique (PMM) obtenues via POT sous une forme plus gérable, ce qui leur a permis de calculer plus facilement et plus précisément les MO souhaités.

L’un des principaux avantages de l’approche proposée est que des MO précises peuvent être obtenues à partir d’un seul ensemble de mesures PMM. De plus, il gère bien mieux les données bruitées. Ceci est dû en partie à l'utilisation intelligente de techniques basées sur la parcimonie, qui limitent l'espace dans lequel les solutions aux OM sont considérées comme étant uniquement les orbitales moléculaires les plus pertinentes.

Les analyses théoriques ainsi que les tests expérimentaux ont confirmé la validité de cette méthode innovante, démontrant son potentiel. "Cette recherche était le fruit d'une collaboration entre mathématiciens, théoriciens de l'information et physiciens et incluait spécifiquement à la fois des expérimentateurs et des théoriciens", explique le professeur Niki.

"En tirant parti de leur expertise, nous avons réalisé avec succès des recherches interdisciplinaires sur la fusion. Cette approche collaborative nous a permis de surmonter les défis précédents et de proposer une méthode POT prometteuse pour une accessibilité et une applicabilité plus larges", a-t-elle ajouté.

Grâce à la technique proposée, les scientifiques pourront visualiser plus facilement les états électroniques des molécules dans des matériaux en couches minces. En retour, cela aidera à mieux comprendre l'origine de toutes les propriétés physiques pertinentes, conduisant à de nouvelles conceptions de matériaux intelligents et à de nouvelles innovations en sciences appliquées.

"La méthode que nous avons développée représente une percée dans la visualisation des états électroniques des matériaux qui étaient auparavant difficiles à observer", déclare le professeur Niki.

Reconnaissant l'immense potentiel qu'offre le POT basé sur PhaesLift, le professeur Niki et l'équipe espèrent devenir des pionniers dans ce domaine de recherche émergent. "En prévision de la propagation mondiale du PMM, j'espère que nous pourrons créer un centre spécialisé dans l'analyse du PMM avant le reste du monde", dit-elle.

"Nous espérons que cet institut central deviendra un pôle d'innovation, favorisant le développement de nombreux nouveaux matériaux qui soutiendront l'économie japonaise au cours du prochain demi-siècle."