Dans une étude attoseconde de la molécule H2, les physiciens de l'ETH Zurich ont découvert que pour les noyaux atomiques légers, tel que contenu dans la plupart des molécules organiques et biologiques, la corrélation entre les mouvements électroniques et nucléaires ne peut être ignorée.

L'objectif principal de la science de l'attoseconde est de comprendre la dynamique des systèmes de mécanique quantique sur leur échelle de temps naturelle. Molécules, sont parmi les systèmes les plus intéressants à étudier, ayant un degré de complexité très élevé, en particulier par rapport aux systèmes atomiques. Les quelques expériences attosecondes réalisées sur des molécules à ce jour ont fourni des informations précieuses sur la dynamique des électrons. Dans ces études, la dynamique des noyaux autour desquels évoluent les électrons était supposée « figée, " étant donné que les noyaux sont beaucoup plus lourds que les électrons et se déplacent donc plus lentement. Cependant, même dans le régime de temps attoseconde, l'approximation selon laquelle les mouvements électroniques et nucléaires sont découplés l'un de l'autre est souvent injustifiée. En particulier, dans des molécules composées d'espèces atomiques légères, le mouvement nucléaire peut être aussi rapide que la dynamique électronique, résultant en un fort couplage entre les deux.

Une équipe dirigée par le Dr Laura Cattaneo et le professeur Ursula Keller du département de physique de l'ETH Zurich a maintenant étudié la plus légère et la plus petite de toutes les molécules, H2, et a exploré ce qui se passe lorsque des mouvements nucléaires et électroniques se produisent sur une échelle de temps comparable. Comme ils le rapportent dans un article publié aujourd'hui dans Physique de la nature , ils ont découvert que dans les molécules, les délais d'ionisation peuvent dépendre de manière significative de l'énergie cinétique du photoélectron et des noyaux. (Les retards d'ionisation sont le temps entre l'absorption d'un photon et l'émission d'un électron pendant la photoionisation.) Cette découverte étend le concept de retards d'ionisation introduit pour les systèmes atomiques. Les variations des délais d'ionisation avec l'énergie cinétique nucléaire peuvent être aussi importantes que les variations avec l'énergie cinétique électronique. Cela implique que chaque fois que des atomes légers sont impliqués dans le processus d'ionisation moléculaire, le paquet d'ondes d'électrons sortant ne peut pas être démêlé du paquet d'ondes nucléaires.

Ces mesures à l'échelle de l'attoseconde sont basées sur une approche expérimentale développée précédemment dans le groupe Keller. Dans l'appareil dit AttoCOLTRIMS (voir la figure), la métrologie attoseconde est associée à la technique d'imagerie COLTRIMS, dans lequel les propriétés corrélées des fragments d'une réaction moléculaire peuvent être enregistrées. Cette capacité expérimentale a été combinée avec une théorie ab initio presque exacte, réalisée par des collaborateurs de l'Universidad Autonoma de Madrid (Espagne), pour décrire les mouvements électroniques et nucléaires, ainsi que le couplage entre eux.

L'importance de ce travail va bien au-delà de la simple molécule H2. Les atomes d'hydrogène sont présents dans la plupart des molécules organiques et biologiquement pertinentes. La compréhension des effets et des contributions des dynamiques électroniques et nucléaires couplées présentes dans de tels systèmes devrait donc fournir des informations fondamentales qui seront importantes dans divers domaines de recherche.