Règles de la mécanique quantique. Il dicte comment les particules et les forces interagissent, et ainsi comment fonctionnent les atomes et les molécules - par exemple, que se passe-t-il lorsqu'une molécule passe d'un état d'énergie supérieure à un état d'énergie inférieure. Mais au-delà des molécules les plus simples, les détails deviennent très complexes.

"La mécanique quantique décrit comment tout cela fonctionne, " a déclaré Paul Hockett du Conseil national de recherches du Canada. " Mais dès que vous dépassez le problème des deux corps, vous ne pouvez pas résoudre les équations. les physiciens doivent s'appuyer sur des simulations et des expériences informatiques.

Maintenant, lui et une équipe internationale de chercheurs du Canada, le Royaume-Uni et l'Allemagne ont développé une nouvelle technique expérimentale pour prendre des images 3D de molécules en action. Cet outil, il a dit, peut aider les scientifiques à mieux comprendre la mécanique quantique sous-jacente à des molécules plus grosses et plus complexes.

La nouvelle méthode, décrit dans Le Journal de Physique Chimique , combine deux technologies. Le premier est un appareil photo développé à l'Université d'Oxford, appelée caméra Pixel-Imaging Mass Spectrometry (PImMS). La seconde est une source de lumière ultraviolette sous vide femtoseconde construite aux femtolabs du CNRC à Ottawa.

La spectrométrie de masse est une méthode utilisée pour identifier des composés inconnus et pour sonder la structure des molécules. Dans la plupart des types de spectrométrie de masse, une molécule est fragmentée en atomes et en molécules plus petites qui sont ensuite séparées par leur poids moléculaire. En spectrométrie de masse à temps de vol, par exemple, un champ électrique accélère la molécule fragmentée. La vitesse de ces fragments dépend de leur masse et de leur charge, alors pour les peser, vous mesurez combien de temps il leur faut pour frapper le détecteur.

La plupart des détecteurs d'imagerie conventionnels, cependant, ne peut pas discerner exactement quand une particule particulière frappe. Pour mesurer le temps, les chercheurs doivent utiliser des méthodes qui agissent effectivement comme des volets, qui laisse passer les particules sur une courte période de temps. Savoir quand l'obturateur est ouvert donne l'information sur le temps de vol. Mais cette méthode ne peut mesurer que des particules de même masse, correspondant à la courte durée d'ouverture du volet.

La caméra PImMS, d'autre part, peut mesurer des particules de masses multiples à la fois. Chaque pixel du détecteur de la caméra peut chronométrer le moment où une particule le frappe. Cette information temporelle produit une carte tridimensionnelle des vitesses des particules, fournissant une image 3-D détaillée du motif de fragmentation de la molécule.

Pour sonder des molécules, les chercheurs ont utilisé cette caméra avec un laser ultraviolet femtoseconde sous vide. Une impulsion laser excite la molécule dans un état d'énergie plus élevée, et juste au moment où la molécule commence son évolution mécanique quantique - après quelques dizaines de femtosecondes - une autre impulsion est déclenchée. La molécule absorbe un seul photon, un processus qui le fait s'effondrer. La caméra PImMS prend ensuite une image 3D des débris moléculaires.

En tirant une impulsion laser de plus en plus tard sur des molécules excitées, les chercheurs peuvent utiliser la caméra PImMS pour prendre des instantanés de molécules à divers stades alors qu'elles tombent dans des états d'énergie inférieurs. Le résultat est une série d'images en 3D d'une molécule changeant d'état.

Les chercheurs ont testé leur approche sur une molécule appelée C2F3I. Bien qu'étant une molécule relativement petite, il s'est fragmenté en cinq produits différents dans leurs expériences. Le logiciel de données et d'analyse est disponible en ligne dans le cadre d'une initiative de science ouverte, et bien que les résultats soient préliminaires, Hockett a dit, les expériences démontrent la puissance de cette technique.

« C'est effectivement une technologie habilitante pour faire réellement ce type d'expériences, " a déclaré Hockett. Il ne faut que quelques heures pour collecter le type de données qui prendrait quelques jours en utilisant des méthodes conventionnelles, permettant des expériences avec des molécules plus grosses qui étaient auparavant impossibles.

Les chercheurs pourront alors mieux répondre à des questions telles que : Comment la mécanique quantique fonctionne-t-elle dans des systèmes plus complexes ? Comment se comportent les molécules excitées et comment évoluent-elles ?

"Les gens essaient de comprendre ces choses depuis les années 1920, " a déclaré Hockett. " C'est encore un champ d'investigation très ouvert, recherche, et débat parce que les molécules sont vraiment compliquées. Nous devons continuer à essayer de les comprendre."