Markus Koch, chef du groupe de recherche Femtosecond Dynamics à l'Institut de physique expérimentale de la TU Graz, et son équipe développent de nouvelles méthodes pour la spectroscopie laser femtoseconde à résolution temporelle afin d'étudier les processus ultrarapides dans les systèmes moléculaires. En 2018, le groupe a démontré pour la première fois que des processus photo-induits peuvent être observés à l'intérieur d'une nanogouttelette d'hélium, une gouttelette d'hélium superfluide de la taille d'un nanomètre qui sert de solvant quantique. Pour leurs enquêtes, les chercheurs ont placé un seul atome d'indium à l'intérieur de la gouttelette et analysé la réaction du système avec le principe pompe-sonde. L'atome a été excité avec une impulsion laser ultracourte, déclenchant le réarrangement de l'environnement d'hélium en quelques femtosecondes (10 ^-15 secondes). Une seconde impulsion laser temporisée a sondé ce développement et a fourni des informations sur le comportement du système.

Prochaine étape réussie

En utilisant la même technique, Koch et ses collègues Miriam Meyer, Bernhard Thaler et Pascal Heim, visualisé le mouvement de single, molécules isolées à l'intérieur d'une gouttelette d'hélium pour la première fois. Les chercheurs ont formé une molécule de dimère d'indium à l'intérieur d'une gouttelette d'hélium en la chargeant successivement de deux atomes d'indium. Ils ont ensuite déclenché une vibration dans la molécule par photoexcitation et observé le mouvement des noyaux en temps réel avec la même technique pompe-sonde.

Les chercheurs considèrent deux aspects de l'expérience comme particulièrement importants :il démontre que de telles expériences sont capables d'observer des processus intramoléculaires ultrarapides, c'est-à-dire processus qui se produisent dans une molécule excitée.

L'hélium a peu d'influence sur les molécules incorporées

Seconde, le groupe a découvert que l'influence de l'hélium superfluide sur les vibrations moléculaires est significativement plus faible qu'avec les solvants conventionnels, comme l'eau ou le méthanol. Les processus intramoléculaires sont généralement influencés par les interactions avec l'environnement et dans les solvants conventionnels, cette interaction est si forte que les processus intramoléculaires ne peuvent pas être observés, comme l'explique Bernhard Thaler :« L'hélium fluide quantique, qui a une température de seulement 0,4 K (note :moins 272,75 degrés Celsius), est vraiment spécial, car la perturbation sur la molécule incorporée est très faible. En outre, molécules fragiles, qui se brisent souvent dans d'autres techniques, sont stabilisés grâce au mécanisme de refroidissement et peuvent maintenant être étudiés. »

Markus Koch veut étendre la méthode aux molécules complexes

"Nous voyons un grand potentiel dans les nanogouttelettes d'hélium car elles offrent de merveilleuses opportunités pour créer des systèmes moléculaires, " dit Koch, expliquant pourquoi lui et son équipe développent cette méthode pour les études femtosecondes. A l'étape suivante, le groupe Femtosecond Dynamics vise des systèmes plus complexes. "La structure des molécules d'indium, que nous avons utilisé comme système modèle, est très simple mais à l'avenir, nous voulons examiner des molécules technologiquement pertinentes, qui sont plus complexes. Je considère cela comme une approche prometteuse de l'ingénierie moléculaire, où les futurs matériaux sont développés en manipulant le comportement quantique de leurs constituants moléculaires."