La chromatographie par résonance laser sera initialement utilisée pour étudier le lawrencium, élément 103. Crédit :Mustapha Laatiaoui
Les éléments superlourds sont des systèmes quantiques nucléaires et atomiques intrigants qui défient le sondage expérimental car ils ne se produisent pas dans la nature et, une fois synthétisé, disparaître en quelques secondes. Pousser l'avant-garde de la recherche en physique atomique vers ces éléments nécessite des développements révolutionnaires vers des techniques de spectroscopie atomique rapides avec une sensibilité extrême. Un effort conjoint au sein du programme de recherche et d'innovation Horizon 2020 de l'Union européenne et dirigé par le Dr Mustapha Laatiaoui de l'Université Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) a abouti à une proposition de spectroscopie optique :la chromatographie par résonance laser (LRC) devrait permettre de telles investigations même à des quantités de production infimes. La proposition a récemment été publiée dans deux articles dans Lettres d'examen physique et Examen physique A .
Les éléments superlourds (SHE) se trouvent dans la partie inférieure du tableau périodique des éléments. Ils représentent un terrain fertile pour le développement de la compréhension de la façon dont de tels atomes exotiques peuvent exister et fonctionner lorsqu'un nombre écrasant d'électrons dans les couches atomiques et de protons et de neutrons dans le noyau se réunissent. Des informations sur leur structure électronique peuvent être obtenues à partir d'expériences de spectroscopie optique dévoilant des spectres d'émission spécifiques à un élément. Ces spectres sont de puissants repères pour les calculs de modèles atomiques modernes et pourraient être utiles, par exemple, lorsqu'il s'agit de rechercher des traces d'éléments encore plus lourds, qui pourraient être créés lors d'événements de fusion d'étoiles à neutrons.
L'approche LRC combine différentes méthodes
Bien que les SHE aient été découverts il y a des décennies, leur investigation par des outils de spectroscopie optique est loin derrière la synthèse. C'est parce qu'ils sont produits à des taux extrêmement bas auxquels les méthodes traditionnelles ne fonctionnent tout simplement pas. Jusque là, la spectroscopie optique se termine à nobelium, élément 102 du tableau périodique. "Les techniques actuelles sont à la limite du faisable, " expliqua Laatiaoui. A partir de l'élément plus lourd suivant, les propriétés physico-chimiques changent brusquement et empêchent de fournir des échantillons dans des états atomiques appropriés."
La chromatographie par résonance laser est basée sur des excitations optiques d'ions et la détection ultérieure de leur arrivée au détecteur. Crédit :Mustapha Laatiaoui
Avec des collègues chercheurs, le physicien a donc développé la nouvelle approche LRC en spectroscopie optique. Cela combine la sélectivité des éléments et la précision spectrale de la spectroscopie laser avec la spectrométrie de masse à mobilité ionique et fusionne les avantages d'une sensibilité élevée avec la « simplicité » du sondage optique comme dans la spectroscopie de fluorescence induite par laser. Son idée clé est de détecter les produits d'excitations optiques résonantes non pas sur la base de la lumière fluorescente comme d'habitude, mais sur la base de leur temps de dérive caractéristique vers un détecteur de particules.
Dans leurs travaux théoriques, les chercheurs se sont concentrés sur le lawrencium à charge unique, élément 103, et sur son homologue chimique plus léger. Mais le concept offre un accès inégalé à la spectroscopie laser de nombreux autres ions monoatomiques à travers le tableau périodique, en particulier des métaux de transition y compris les métaux réfractaires à haute température et les éléments au-delà du lawrencium. D'autres espèces ioniques comme le thorium triplement chargé seront également à portée de l'approche LRC. De plus, le procédé permet d'optimiser les rapports signal sur bruit et ainsi de faciliter la spectrométrie de mobilité ionique, chimie ionique sélectionnée par l'état, et d'autres applications.
Le Dr Mustapha Laatiaoui est arrivé à l'Université Johannes Gutenberg de Mayence et à l'Institut Helmholtz de Mayence (HIM) en février 2018. Fin 2018, il a reçu une bourse ERC Consolidator Grant du Conseil européen de la recherche (ERC), l'une des subventions de financement les plus précieuses de l'Union européenne, pour ses recherches sur les éléments les plus lourds en utilisant la spectroscopie laser et la spectroscopie de mobilité ionique. Les publications actuelles comprenaient également des travaux que Laatiaoui avait précédemment effectués au GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung à Darmstadt et à la KU Leuven en Belgique.
