Soupape de commande. Crédit :MIPT
Une équipe de chercheurs de l'Institut de physique et de technologie de Moscou, et l'Université d'Aarhus au Danemark a développé un algorithme pour prédire l'effet d'un champ électromagnétique externe sur l'état de molécules complexes. L'algorithme, qui est basé sur une théorie développée plus tôt par la même équipe, prédit les taux d'ionisation à effet tunnel des molécules. Il s'agit de la probabilité qu'un électron contourne la barrière de potentiel et s'échappe de sa molécule mère. Le nouvel algorithme, présenté dans un article de la Journal de physique chimique , permet aux chercheurs de regarder à l'intérieur de grosses molécules polyatomiques, observer et potentiellement contrôler le mouvement des électrons à l'intérieur.
Les physiciens utilisent des lasers puissants pour révéler la structure électronique des molécules. Pour faire ça, ils éclairent une molécule et analysent ses spectres de réémission et les produits de l'interaction entre la molécule et le champ électromagnétique de l'impulsion laser. Ces produits sont les photons, électrons, et les ions produits lorsque la molécule est ionisée ou se dissocie (se désintègre).
Des recherches antérieures impliquant le groupe de physique théorique attoseconde du MIPT dirigé par Oleg Tolstikhin ont montré qu'en plus d'élucider la structure électronique d'une molécule, la même approche peut permettre aux physiciens de contrôler les mouvements des électrons dans la molécule avec une précision à l'attoseconde. Une attoseconde, ou un milliardième de milliardième de seconde, est le temps nécessaire à la lumière laser pour parcourir une distance comparable à la taille d'une petite molécule.
"Si vous placez une molécule dans un champ de rayonnement laser puissant, l'ionisation se produit :un électron s'échappe de la molécule, " explique Andrey Dnestryan, membre du groupe de physique théorique de l'attoseconde au MIPT. "Le mouvement de l'électron est alors affecté par le champ laser variable. À un moment donné, il peut retourner à l'ion moléculaire parent. Les résultats possibles de leur interaction sont la redispersion, recombinaison, et la dissociation de la molécule. En observant ces processus, nous pouvons reconstruire les mouvements des électrons et des noyaux dans les molécules, qui est d'un intérêt profond pour la physique moderne."
L'orientation de la molécule de naphtalène par rapport au champ électrique externe peut être décrite par les angles et de la manière suivante :Le champ électrique F est dirigé selon l'axe z?, tandis que désigne l'angle entre z? et l'axe moléculaire z, et est l'angle de rotation autour de l'axe z. Ce dernier angle spécifie une orientation arbitraire de la molécule par rapport au champ F. Les deux angles et sont appelés angles d'Euler. La figure montre également deux orbitales externes (a et b) de la molécule de naphtalène, c'est-à-dire les zones où les deux électrons externes sont localisés dans cette molécule. Les électrons externes sont les premiers à subir une ionisation en présence d'un champ électrique. Crédit :Institut de physique et de technologie de Moscou
L'intérêt de l'ionisation tunnel provient de son rôle dans les expériences d'observation du mouvement électronique et nucléaire dans les molécules avec une résolution temporelle attoseconde. Par exemple, L'ionisation tunnel peut permettre aux chercheurs de suivre les mouvements des électrons et des trous - des points vides chargés positivement résultant de l'absence d'électrons - le long de la molécule. Cela ouvre des perspectives pour contrôler leur mouvement, qui aiderait à contrôler les résultats des réactions chimiques en médecine, biologie moléculaire, et d'autres domaines de la science et de la technologie. Des calculs précis des taux d'ionisation à effet tunnel sont essentiels à ces expériences.
Le taux d'ionisation tunnel pourrait être interprété comme la probabilité qu'un électron s'échappe de la molécule dans une direction particulière. Cette probabilité dépend de l'orientation de la molécule par rapport au champ magnétique externe.
Les théories actuellement utilisées lient les taux d'ionisation à effet tunnel au comportement des électrons loin des noyaux atomiques. Cependant, les logiciels disponibles pour les calculs de mécanique quantique et la chimie computationnelle ne parviennent pas à prédire l'état des électrons dans ces régions. Les chercheurs ont trouvé un moyen de contourner cela.
"Nous avons récemment réussi à reformuler la théorie asymptotique de l'ionisation tunnel afin que le taux d'ionisation soit déterminé par le comportement des électrons à proximité des noyaux, qui peut être calculé assez précisément en utilisant les méthodes disponibles actuellement, " dit Dnestryan.
Dépendance des facteurs de structure calculés pour les deux orbitales moléculaires occupées les plus élevées - HOMO et HOMO-1 - de la molécule de naphtalène sur l'orientation du champ électrique, C'est, sur les angles d'Euler et de la figure 1. Les valeurs absolues du facteur de structure sont codées par couleur, avec le rouge indiquant les valeurs minimales, et jaune et violet indiquant les valeurs maximales. La valeur absolue au carré du facteur de structure détermine le taux d'ionisation tunnel à partir d'une orbitale donnée dans la direction opposée à celle du champ, car l'électron est chargé négativement. Crédit :Institut de physique et de technologie de Moscou
"Jusqu'à maintenant, les chercheurs n'ont pu calculer que les taux d'ionisation à effet tunnel pour de petites molécules composées de quelques atomes. C'est désormais possible pour des molécules nettement plus grosses. Dans notre papier, nous le démontrons en exécutant les calculs pour le benzène et le naphtalène, " a ajouté le physicien.
Les auteurs de l'article ont calculé les taux d'ionisation tunnel pour plusieurs molécules en fonction de leur orientation par rapport au champ externe. Pour effectuer les calculs, l'équipe a développé un logiciel, qu'il envisage de rendre accessible au public. Cela permettra à l'expérimentateur de déterminer rapidement la structure de grosses molécules avec une précision à l'attoseconde sur la base des spectres observés des molécules.
"Ce travail transforme la théorie asymptotique de l'ionisation tunnel, que nous avons développé en 2011, en un outil puissant pour calculer les taux d'ionisation pour des molécules polyatomiques arbitraires. Ceci est essentiel pour résoudre un large éventail de problèmes en physique des lasers à champ fort et en physique attoseconde, " Tolstikhin dit.
