Les chercheurs de l'ETH ont réussi à raccourcir la durée d'impulsion d'un laser à rayons X à seulement 43 attosecondes. Avec une résolution temporelle de l'ordre de quelques quintillions de seconde, ils sont désormais capables pour la première fois d'observer le mouvement des électrons lors de réactions chimiques au ralenti.

Afin de bien comprendre la dynamique au cours d'une réaction chimique, les scientifiques doivent être capables d'étudier tous les mouvements des atomes et des molécules sur leur échelle de temps de base.

Les molécules tournent dans la gamme des picosecondes (10-12 s), leurs atomes vibrent dans la gamme des femtosecondes (10-15 s), et les électrons se déplacent dans la gamme des attosecondes (10-18 s). Le professeur de l'ETH Hans Jakob Wörner et son groupe ont maintenant réussi à générer l'impulsion laser la plus courte au monde avec une durée de seulement 43 attosecondes. Plus généralement, cette impulsion laser est l'événement contrôlé le plus court jamais créé par l'homme. Les chercheurs peuvent désormais observer en détail comment les électrons se déplacent au sein d'une molécule ou comment se forment les liaisons chimiques.

Décomposer les états de transition

A partir d'un laser infrarouge, les chercheurs génèrent une impulsion laser à rayons X doux avec une très large bande passante spectrale. Par conséquent, divers éléments, dont le phosphore et le soufre, peuvent être directement observés en excitant les électrons de leur couche interne. Les deux éléments sont présents dans les biomolécules, et il est désormais possible de les observer avec une résolution temporelle sans précédent.

Mais quel est l'avantage de pouvoir observer les étapes de réaction maintenant avec une résolution encore plus élevée ? "Plus un transfert de charge peut avoir lieu rapidement, plus une réaction peut se dérouler efficacement", dit le professeur Wörner. L'œil humain par exemple est très efficace lorsqu'il s'agit de convertir des photons en signaux nerveux. Dans la rhodopsine, un pigment visuel dans la rétine, la molécule photosensible rétinienne est prédisposée de telle sorte que sa structure puisse changer extrêmement rapidement par l'absorption d'un seul photon. Cela permet le processus visuel même au crépuscule. Une réaction beaucoup plus lente rendrait la vision impossible, car l'énergie du photon serait convertie en chaleur en quelques picosecondes seulement.

La spectroscopie attoseconde pourrait contribuer au développement de cellules solaires plus efficaces puisqu'il est désormais possible pour la première fois de suivre pas à pas le processus d'excitation par la lumière solaire jusqu'à la génération d'électricité. Une compréhension détaillée de la voie de transfert de charge pourrait aider à optimiser l'efficacité de la prochaine génération d'éléments photosensibles.

Manipulation optique du processus de réaction

La spectroscopie laser attoseconde n'est pas seulement adaptée à la simple observation, explique le professeur Wörner. Les réactions chimiques peuvent également être directement manipulées :l'utilisation d'une impulsion laser peut modifier le cours d'une réaction – même les liaisons chimiques peuvent être rompues en arrêtant le déplacement de charge à un certain endroit dans la molécule. De telles interventions ciblées dans les réactions chimiques n'ont pas été possibles jusqu'à présent, puisque l'échelle de temps du mouvement des électrons dans les molécules n'avait pas encore été atteinte.

Le groupe du professeur Wörner travaille déjà sur la prochaine génération d'impulsions laser encore plus courtes. Ceux-ci permettront d'enregistrer des images encore plus détaillées, et grâce à un spectre de rayons X plus large, encore plus d'éléments peuvent être sondés qu'auparavant. Bientôt, il sera possible de suivre la migration des électrons dans des molécules plus complexes avec une résolution temporelle encore plus élevée.