Les différentes étapes de la rotation périodique de la molécule se répètent après environ 82 picosecondes. Crédit :DESY, Evangelos Karamatskos/Britta Liebaug
Les scientifiques ont utilisé des impulsions de lumière laser réglées avec précision pour filmer la rotation ultrarapide d'une molécule. Le "film moléculaire" qui en résulte suit une révolution et demie du sulfure de carbonyle (OCS) - une molécule en forme de bâtonnet constituée d'un oxygène, un atome de carbone et un atome de soufre - se déroulant en 125 billions de seconde, à haute résolution temporelle et spatiale. L'équipe dirigée par Jochen Küpper de DESY du Center for Free-Electron Laser Science (CFEL) et Arnaud Rouzée du Max Born Institute de Berlin présentent leurs découvertes dans la revue Communication Nature . CFEL est une coopération de DESY, la Société Max Planck et l'Universität Hamburg.
"La physique moléculaire a longtemps rêvé de capturer le mouvement ultrarapide des atomes lors de processus dynamiques sur film, " explique Küpper, qui est également professeur à l'Université de Hambourg. Ce n'est pas simple, cependant, car le domaine des molécules nécessite normalement un rayonnement de haute énergie avec une longueur d'onde de l'ordre de la taille d'un atome afin de pouvoir voir les détails. L'équipe de Küpper a donc adopté une approche différente :ils ont utilisé deux impulsions de lumière laser infrarouge réglées avec précision l'une sur l'autre et séparées de 38 billions de seconde (picosecondes) pour faire tourner rapidement les molécules de sulfure de carbonyle à l'unisson, c'est à dire., de manière cohérente. Ils ont ensuite utilisé une autre impulsion laser avec une longueur d'onde plus longue pour déterminer la position des molécules à des intervalles d'environ 0,2 trillionième de seconde chacune. « Puisque cette impulsion laser de diagnostic détruit les molécules, il fallait recommencer l'expérience pour chaque snapshot, " rapporte Evangelos Karamatskos, l'auteur principal de l'étude du CFEL.
Tout à fait, les scientifiques ont pris 651 photos couvrant 1,5 périodes de rotation de la molécule. Assemblé séquentiellement, les images ont produit un film de 125 picosecondes de la rotation de la molécule. La molécule de sulfure de carbonyle prend environ 82 billions de seconde, soit 0,000000000082 secondes, pour accomplir une révolution entière. "Il serait faux de penser que son mouvement est comme celui d'un bâton en rotation, bien que, " dit Küpper. " Les processus que nous observons ici sont régis par la mécanique quantique. À cette échelle, les très petits objets comme les atomes et les molécules se comportent différemment des objets de tous les jours dans notre environnement. La position et la quantité de mouvement d'une molécule ne peuvent pas être déterminées simultanément avec la plus grande précision; vous ne pouvez définir qu'une certaine probabilité de trouver la molécule à un endroit spécifique à un moment donné."
Étapes de la rotation de la molécule, enregistré avec un écart moyen de sept picosecondes chacun. Crédit :DESY, Evangelos Karamatskos
Les caractéristiques particulières de la mécanique quantique peuvent être vues dans plusieurs des nombreuses images du film, dans laquelle la molécule ne pointe pas simplement dans une direction, mais dans différentes directions à la fois, chacune avec une probabilité différente (voir par exemple la position 3 heures sur la figure). "Ce sont précisément ces directions et probabilités que nous avons imagées expérimentalement dans cette étude, " ajoute Rouzée. " Du fait que ces images individuelles commencent à se répéter après environ 82 picosecondes, on peut en déduire la période de rotation d'une molécule de sulfure de carbonyle."
Les scientifiques pensent que leur méthode peut également être utilisée pour d'autres molécules et processus, par exemple pour étudier la torsion interne, c'est à dire., torsion, de molécules ou de composés chiraux, ceux qui existent sous deux formes en miroir, un peu comme les mains droite et gauche d'une personne. "Nous avons enregistré un film moléculaire à haute résolution de la rotation ultrarapide du sulfure de carbonyle en tant que projet pilote, " dit Karamatskos, résumer l'expérience. "Le niveau de détail que nous avons pu atteindre indique que notre méthode pourrait être utilisée pour produire des films instructifs sur la dynamique d'autres processus et molécules."
