L'aspirine sous forme de petits cristallites offre un nouvel aperçu des mouvements délicats des électrons et des noyaux atomiques. Mise en vibration moléculaire par de fortes impulsions ultracourtes dans l'infrarouge lointain (térahertz), les noyaux oscillent beaucoup plus vite que pour une excitation faible. Ils reviennent progressivement à leur fréquence d'oscillation intrinsèque, parallèlement à la décroissance picoseconde des mouvements électroniques. Une analyse des ondes térahertz rayonnées par les particules en mouvement par une théorie approfondie révèle le caractère fortement couplé de la dynamique électronique et nucléaire caractéristique d'une large classe de matériaux moléculaires.

En fonction de son activité physiologique, l'aspirine a trouvé une application pharmaceutique répandue dans différents domaines médicaux. En regardant une molécule d'aspirine individuelle du point de vue de la physique, on peut distinguer deux types de mouvements :(i) les vibrations moléculaires, c'est à dire., mouvements oscillatoires des noyaux atomiques dans une large gamme de fréquences, parmi eux, par exemple., la rotation entravée du groupe méthyle (Film 1) à une fréquence de 6 terahertz (THz) (1 THz =1, 000, 000, 000, 000 cycles d'oscillation par seconde) et (ii) les mouvements oscillatoires des électrons dans la molécule autour de 1000 THz (Film 2), comme induit, par exemple., par la lumière ultraviolette. Alors que les différents mouvements ne sont que faiblement couplés dans une seule molécule d'aspirine, ils développent une interaction électrique très forte dans un emballage moléculaire dense comme dans les comprimés d'aspirine de la pharmacie. Par conséquent, le caractère de vibrations particulières, les modes dits doux, change et leur fréquence d'oscillation est considérablement réduite (film 3). Ce schéma de couplage complexe et la dynamique moléculaire qui en résulte sont importants pour la façon dont l'aspirine et d'autres molécules répondent à un stimulus externe. Jusque là, ce problème est resté sans solution.

Dans le numéro actuel de Lettres d'examen physique , des chercheurs du Max Born Institute de Berlin et de l'Université du Luxembourg combinent des méthodes expérimentales et théoriques de premier ordre pour démêler les propriétés de base des modes mous. Dans les expériences, une séquence de deux impulsions THz à verrouillage de phase interagit avec un comprimé d'aspirine polycristalline de 700 µm d'épaisseur. Le champ électrique rayonné par les atomes en mouvement sert de sonde pour cartographier les oscillations en mode doux en temps réel. Balayages bidimensionnels dans lesquels on fait varier le retard entre les deux impulsions THz, montrent une forte non-linéarité de la réponse en mode doux dans les cristaux d'aspirine. Cette non-linéarité est dominée par un décalage transitoire prononcé du mode doux vers des fréquences plus élevées (Fig. 1). La réponse présente un caractère non instantané avec des temps de décroissance picosecondes provenant de la polarisation électrique générée des cristallites. Pendant la décroissance de la polarisation, la fréquence du mode doux revient progressivement à la valeur qu'elle avait avant l'excitation.

L'analyse théorique montre que de fortes polarisations électriques dans l'ensemble des molécules d'aspirine confèrent au mode doux un caractère hybride, combinant les degrés de liberté nucléaires et électroniques via un couplage dipôle-dipôle. Dans les cristallites d'aspirine non excités, cette corrélation entre les électrons et les noyaux détermine la fréquence du mode doux. Une forte excitation THz induit une rupture des corrélations, résultant en un décalage vers le bleu transitoire des modes doux et, via la décroissance (décohérence) comparativement lente de la polarisation, une réponse non instantanée. Le scénario découvert ici est pertinent pour une grande classe de matériaux moléculaires, en particulier pour ceux ayant des applications dans les ferroélectriques.