Des chercheurs de l'Université de technologie de Graz et de l'Université de Vienne ont mieux décrit le flux d'énergie entre des états moléculaires en interaction forte. Depuis les années 1990, La femtochimie a étudié des processus ultrarapides au niveau moléculaire. Dans les dernières années, le groupe de recherche Femtosecond Dynamics à l'Institut de physique expérimentale de la TU Graz a réussi à obtenir un certain nombre de succès dans le domaine de l'interaction lumière-matière.

"Une compréhension précise des processus déclenchés par la photoexcitation dans les molécules est, par exemple, une condition préalable au développement de technologies durables permettant un approvisionnement énergétique basé sur l'énergie solaire, " dit Markus Koch, le chef du groupe de travail.

Par exemple, il cite la photocatalyse, qui aide à convertir la lumière du soleil en énergie chimique avec des avantages en termes de stockage à long terme et de densité énergétique par rapport à la génération d'énergie électrique via le photovoltaïque.

Une méthode pour de telles investigations dynamiques moléculaires utilise des mesures dites pompe-sonde appliquant une impulsion laser ultracourte pour exciter ("pomper") un système moléculaire dans un état souhaité. Après un délai réglable, un second laser ("sonde") interroge la population de l'état excité en ionisant la molécule.

L'énergie des photoélectrons émis est mesurée et en faisant varier le temps de retard pompe-sonde, des conclusions peuvent être tirées sur le flux d'énergie dans la molécule.

Le principe d'incertitude énergie-temps de Heisenberg empêche des résultats exacts

Une description exacte des processus induits par la lumière à leur échelle de temps réel a jusqu'à présent échoué pour certaines molécules polyatomiques qui peuvent emprunter différentes voies de désintégration ou de fragmentation après excitation, selon le choix entre des états énergétiques rapprochés.

En raison du principe d'incertitude énergie-temps de Heisenberg, les impulsions laser d'une durée de seulement femtoseconde (10-15 secondes) ne peuvent pas exciter sélectivement des états moléculaires étroitement voisins. Cependant, des impulsions courtes sont une condition préalable à l'observation de processus extrêmement rapides.

Une nouvelle approche combine théorie et expérimentation

En collaboration avec des chercheurs de l'Institut de chimie théorique de la Faculté de chimie de l'Université de Vienne sous la direction du Prof. Leticia González, les physiciens expérimentateurs de Graz ont maintenant surmonté cet obstacle.

En combinant des expériences avec des impulsions laser ultracourtes et des simulations théoriques de processus induits par la lumière, le flux d'énergie dans l'acétone - une molécule qui a déjà été bien étudiée - pourrait maintenant être observé pour la première fois à une fenêtre énergétique clé entre trois états étroitement liés.

Même pour le groupe de Vienne, une force motrice dans le domaine de la description théorique des molécules après excitation lumineuse, le système à l'étude présentait un défi. "Pour ces simulations, de nouveaux développements dans notre progiciel local SHARC étaient nécessaires, sans laquelle la description correcte de la dynamique de l'acétone n'aurait pas été possible, " souligne González.

Les effets de synergie donnent de nouvelles perspectives

Les deux méthodes en elles-mêmes sont largement utilisées, mais " alors que la relation énergie-temps-flou en spectroscopie femtoseconde empêche des résultats précis, les simulations en temps réel fournissent des informations plus approfondies sur la dynamique moléculaire, qui à leur tour nécessitent la vérification des résultats expérimentaux, " explique Koch.

La combinaison de ces deux techniques permet désormais aux chercheurs de mieux comprendre la dynamique de l'acétone et constitue une étape supplémentaire dans l'étude des interactions lumière-matière. Les résultats ont été publiés dans The Journal des lettres de chimie physique .