Prof. Dr. Birgitta Bernhardt avec l'installation de mesure au Département de physique de l'Université technique de Munich. Crédit :Michael Mittermair / TUM
De nombreux processus chimiques sont si rapides qu'ils ne sont que grossièrement compris. Pour clarifier ces processus, une équipe de l'Université technique de Munich (TUM) a maintenant développé une méthodologie avec une résolution de quintillions de seconde. La nouvelle technologie pourrait améliorer la compréhension de processus tels que la photosynthèse et contribuer au développement de puces informatiques plus rapides.
L'ionisation est une étape intermédiaire importante dans de nombreux processus chimiques. Un exemple typique de ceci est la photosynthèse. Les réactions ne prennent que quelques femtosecondes (quadrillionièmes de seconde), voire quelques centaines d'attosecondes (quintillionièmes de seconde). Parce qu'ils courent tellement vite, seuls les produits initiaux et finaux sont connus, mais pas les chemins réactionnels ou les produits intermédiaires.
Pour observer de tels processus ultrarapides, la science a besoin d'une technologie de mesure plus rapide que le processus observé lui-même. Ce qu'on appelle la "spectroscopie pompe-sonde" rend cela possible. Ici, l'échantillon est excité à l'aide d'une impulsion laser initiale, qui déclenche la réaction. Une seconde, l'impulsion temporisée interroge l'état momentané du processus. Des répétitions multiples de la réaction avec des délais différents donnent des images individuelles en stop-motion, qui peut ensuite être compilé dans un clip de film.
Maintenant, une équipe de scientifiques dirigée par Birgitta Bernhardt à la TU de Munich a combiné deux techniques de spectroscopie pompe-sonde utilisant le gaz inerte krypton. Cela leur a permis de visualiser les processus d'ionisation ultrarapides avec une précision qui était auparavant impossible.
Vue dans la chambre de mesure combinant deux techniques de spectroscopie pompe-sonde permettant ainsi d'observer et de contrôler des processus ultrarapides avec une résolution attoseconde. Crédit :Michael Mittermair / TUM
"Avant notre expérience, on pouvait soit observer quelle partie de la lumière excitante était absorbée par l'échantillon au fil du temps, soit mesurer quel type et combien d'ions étaient créés au cours du processus, " explique Bernhardt. " Nous avons maintenant combiné les deux techniques, ce qui nous permet d'observer les étapes précises par lesquelles s'effectue l'ionisation, combien de temps ces produits intermédiaires existent et quelles sont précisément les causes de l'impulsion laser d'excitation dans l'échantillon. »
Des processus ultrarapides sous contrôle
La combinaison des deux techniques de mesure permet aux scientifiques d'enregistrer les processus d'ionisation ultrarapides et, grâce à la variation de l'intensité de la deuxième impulsion laser de palpage, ils peuvent également contrôler et influencer la dynamique d'ionisation.
"Ce type de contrôle est un instrument très puissant, " explique Bernhardt. " Si nous pouvons comprendre précisément et même influencer les processus d'ionisation rapide, nous sommes capables d'en apprendre beaucoup sur les processus entraînés par la lumière comme la photosynthèse, en particulier sur les moments initiaux au cours desquels cette machinerie complexe est mise en mouvement et qui n'étaient pas compris à ce jour. »
La technologie développée par Bernhardt et ses collègues est également intéressante pour le développement de nouvelles, puces informatiques plus rapides dans lesquelles l'ionisation du silicium joue un rôle important. Si les états d'ionisation du silicium ne peuvent pas seulement être échantillonnés sur une si courte échelle de temps, mais peut également être défini - comme le suggèrent les premières expériences avec le krypton - les scientifiques pourraient un jour l'utiliser pour développer des technologies informatiques nouvelles et encore plus rapides.
