Lorsque les molécules interagissent avec des surfaces solides, toute une gamme de processus dynamiques peut avoir lieu. Celles-ci présentent un intérêt énorme dans le cadre des réactions catalytiques, par exemple. la conversion du gaz naturel en hydrogène qui peut ensuite être utilisé pour produire de l'électricité propre.

Spécifiquement, l'interaction des molécules de méthane avec la surface du catalyseur comme le nickel est intéressante si nous voulons acquérir une compréhension détaillée et significative du processus au niveau moléculaire. Mais étudier la dynamique de diffusion des molécules polyatomiques telles que le méthane a été difficile car les techniques de détection actuelles sont incapables de résoudre tous les états quantiques des molécules diffusées.

Le laboratoire de Rainer Beck à l'EPFL a maintenant utilisé de nouvelles techniques laser infrarouge pour étudier pour la première fois la diffusion du méthane sur une surface de nickel avec une résolution totale de l'état quantique. Les techniques résolues à l'état quantique ont beaucoup contribué à notre compréhension de la dynamique de diffusion de surface, mais l'innovation ici était que l'équipe de l'EPFL a pu étendre ces études au méthane en combinant des lasers infrarouges avec un bolomètre cryogénique :un détecteur de chaleur très sensible refroidi à 1,8 K qui peut capter l'énergie cinétique et interne des molécules de méthane entrantes.

Dans leurs expériences, un puissant laser infrarouge pompe d'abord les molécules de méthane incidentes dans une seule sélection, état quantique vibratoirement excité. Un second laser associé au bolomètre est ensuite utilisé pour analyser la distribution d'état quantique des molécules diffusées. Avec cette approche, les scientifiques ont observé, pour la première fois, un mécanisme très efficace pour la redistribution de l'énergie vibratoire lors de la diffusion en surface.

Les données de l'étude permettront de tester rigoureusement les théories quantiques de pointe pour la diffusion molécule/surface. Pendant ce temps, la nouvelle technique de marquage laser introduite dans ce travail est largement applicable et peut être utilisée pour étudier de nombreux autres systèmes de molécules/surfaces polyatomiques avec des détails sans précédent.