Une équipe de chercheurs du Helmholtz Institute Jena et DESY a ouvert la voie à l'utilisation de lasers conventionnels pour observer la rupture des liaisons chimiques. Pour leurs expériences, les scientifiques ont combiné des composants de génération et de détection de lumière haute performance des deux institutions Helmholtz. La configuration résultante constitue la base pour l'observation de processus à grande vitesse avec une résolution de 30 milliardièmes de seconde (30 femtosecondes). En outre, l'installation est si compacte et robuste qu'elle pourrait servir de prototype pour un équipement de mesure qui pourrait être installé et utilisé même dans des installations et des universités plus petites.

Que se passe-t-il lorsqu'une liaison chimique est rompue ? Comment les atomes individuels se joignent-ils pour former une molécule, et se désengager à nouveau ? La compréhension de la dynamique des processus chimiques est souvent décrite comme le « Saint Graal » de la chimie physique; une fois que vous comprenez ce qui se passe, vous êtes en mesure d'influencer ces liens et peut-être même de concevoir des matériaux complètement nouveaux.

L'observation de tels processus chimiques avec une grande précision nécessite des caméras à grande vitesse avec une résolution temporelle et spatiale extrêmement élevée, comme le laser à électrons libres à rayons X européen XFEL, qui est actuellement en construction dans la région métropolitaine de Hambourg et permettra aux scientifiques d'examiner des molécules et des atomes individuels. Cependant, un laser qui émet de la lumière ultraviolette à ondes courtes est tout ce qui est nécessaire pour observer la rupture des liaisons chimiques dans les petites molécules - cela et un détecteur de coïncidence du type développé pour les expériences de synchrotron et de laser à rayons X.

Dans leurs expériences, les scientifiques de Helmholtz ont tiré de courtes impulsions de lumière XUV de haute intensité sur des molécules d'iodométhane (CH3I), également appelé iodure de méthyle, constitué d'un atome d'iode et d'un groupe méthyle (CH3). La lumière a rompu la liaison entre l'iode et le groupe méthyle, et les fragments de la molécule ont été capturés et mesurés dans un spectromètre. Cela a permis de déduire le réarrangement des électrons dans la molécule excitée, et donc les processus chimiques induits qui en découlent.

Les expériences étaient basées sur un système laser de table pour la lumière dans ce qu'on appelle la gamme ultraviolette extrême (XUV). Le laser, qui a été développé à l'Institut Helmholtz Jena, produit très court, des impulsions de haute intensité de XUV en amplifiant d'abord fortement une impulsion de rayonnement infrarouge dans une fibre optique, et générer ensuite des multiples impairs de la fréquence laser d'origine. Pour ces expériences, l'une de ces fréquences harmoniques dites supérieures, avec une longueur d'onde d'environ 18 nanomètres, a été extrait à l'aide de dispositifs optiques spéciaux et utilisé pour l'expérience.

"Le système laser XUV produit des éclairs de lumière constitués d'un million de photons, qui ne durent que 30 femtosecondes, avec une fréquence d'impulsion allant jusqu'à 100 kilohertz, " explique le professeur Jens Limpert. Jan Rothhardt, qui a aidé à développer le laser, ajoute :« La combinaison d'un flux de photons élevé et d'un taux de répétition très élevé en combinaison avec une très grande stabilité qualifie ce système, en principe, pour réaliser des expériences d'utilisateurs en dynamique chimique."

L'utilisation d'harmoniques plus élevées pour produire les impulsions offre un avantage intégré supplémentaire :une réaction chimique peut être déclenchée par une impulsion de lumière produite par le laser, puis examiné après un temps fixe à l'aide d'une impulsion de rayonnement XUV produite par le même laser. "Le délai entre la première et la deuxième impulsion peut être réglé avec une grande précision, " dit Rothhardt. Cette technique "pompe et sonde" n'était pas encore utilisée dans la première série d'expériences, mais elle a déjà été testée et doit être incluse dans les expériences de suivi.

Un deuxième élément important des expériences était une chambre complexe d'échantillons et de détecteurs, développé pour une utilisation dans les lasers à électrons libres (FEL), qui avait déjà été déployé dans les accélérateurs FLASH et PETRA III de DESY. Dans cette chambre expérimentale CAMP, exploité par le groupe Daniel Rolles à l'époque, l'échantillon a été tiré dans le faisceau de lumière sous la forme d'un jet mince se déplaçant à des vitesses supersoniques. L'interaction avec le rayonnement XUV a détruit les molécules, et les propriétés des fragments qui s'envolent ont été mesurées avec une grande précision dans un spectromètre intégré. Des mesures de coïncidence ont permis d'attribuer les fragments capturés à leurs molécules d'origine, et la caractérisation précise des blocs de construction signifie que la rupture de la liaison peut être déchiffrée dans le temps.

"En réunissant les possibilités expérimentales et scientifiques d'Iéna et de Hambourg, nous ouvrons de nouvelles possibilités d'observation de la dynamique chimique, " déclare le professeur Jochen Küpper, scientifique de DESY, qui est à l'origine des expériences et qui est également membre du Center for Free-Electron Laser Science et du Hamburg Center for Ultrafast Imaging de l'Université de Hambourg. Le scientifique de DESY, Tim Laarmann, ajoute :« Dans la prochaine étape, nous utiliserons l'appareil pour effectuer des expériences de pompage et de sonde. En principe, ce montage devrait en effet nous permettre d'atteindre des résolutions temporelles beaucoup plus élevées de moins d'une femtoseconde, permettant d'observer des mouvements extrêmement rapides d'électrons dans des molécules complexes."