chercheurs de l'EPFL, travailler à la frontière entre la physique classique et la physique quantique, ont développé une méthode pour repérer rapidement des molécules aux propriétés électroniques particulièrement intéressantes.

La technologie laser permet aux scientifiques d'examiner de plus en plus les structures moléculaires, et cela conduit parfois à des surprises très intéressantes. Au Laboratoire de Chimie Physique Théorique (LCPT) de l'EPFL, une équipe de recherche étudiant la dynamique des molécules polyatomiques - des molécules composées de plusieurs atomes - est tombée sur l'une de ces surprises. Ils ont découvert que les électrons de ces molécules se déplacent très différemment de ce à quoi on s'attendrait dans des atomes isolés.

Dans les atomes isolés, les oscillations de densité électronique sont régulières, mais dans la plupart des molécules polyatomiques, les oscillations s'amortissent rapidement. Ce processus est connu sous le nom de décohérence. Cependant, dans certaines molécules, les oscillations durent plus longtemps avant que la décohérence ne s'installe. Les chercheurs de l'EPFL ont développé une méthode qui capture le mécanisme physique derrière la décohérence, ce qui leur permet par conséquent d'identifier des molécules aux cohérences durables. Leur méthode pourrait s'avérer intéressante dans le développement de nouvelles technologies à base d'électrons ou l'étude des effets quantiques dans les biomolécules. Les résultats ont été récemment publiés dans Lettres d'examen physique .

"Le mouvement des électrons a lieu extrêmement rapidement - à l'échelle de l'attoseconde - il est donc très difficile à observer, " dit Nikolay Golubev, post-doc au LCPT et auteur principal de l'étude. Par ailleurs, le mouvement des électrons est fortement couplé à d'autres processus dans une molécule. C'est pourquoi l'équipe de recherche a intégré une information supplémentaire dans son étude :la dynamique plus lente des noyaux atomiques et son influence sur celle des électrons. Il a été constaté que dans la plupart des structures moléculaires, le réarrangement nucléaire lent amortit les oscillations initialement cohérentes des électrons et les fait disparaître en quelques femtosecondes.

Une approche semi-classique

Pour déterminer si ce phénomène a réellement lieu, les chercheurs ont développé une technique théorique pour une description précise et efficace de la dynamique des électrons et des noyaux après que les molécules ont été ionisées par des impulsions laser ultracourtes. Ils ont utilisé ce qui est considéré comme une approche semi-classique en ce sens qu'elle combine des caractéristiques quantiques, comme l'existence simultanée de plusieurs états, et caractéristiques classiques, à savoir les trajectoires classiques guidant les fonctions d'onde moléculaires. Cette méthode permet aux scientifiques de détecter le processus de décohérence beaucoup plus rapidement, faciliter l'analyse de nombreuses molécules et donc repérer celles qui pourraient potentiellement avoir des cohérences durables.

"Résoudre exactement l'équation de Schrödinger pour l'évolution quantique de la fonction d'onde d'une molécule polyatomique est impossible, même avec les plus gros supercalculateurs du monde, " dit Jiri Vanicek, chef du LCPT. "L'approche semi-classique permet de remplacer le problème quantique intraitable par un problème encore difficile, mais soluble, problème, et fournit une interprétation simple dans laquelle la molécule peut être considérée comme une boule roulant sur un paysage de grande dimension. »

Pour illustrer leur méthode, les chercheurs l'ont appliqué à deux composés :l'acide propiolique, dont les molécules présentent une cohérence durable, et le propiolamide (un dérivé de l'acide propiolique), dans laquelle la décohérence est rapide. L'équipe espère pouvoir bientôt tester sa méthode sur des centaines d'autres composés également.

Leur découverte marque une étape importante vers une meilleure compréhension des structures et dynamiques moléculaires, et s'avère être un outil utile pour observer la cohérence électronique à longue durée de vie dans les molécules. Fort d'une meilleure compréhension du processus de décohérence, les scientifiques pourraient un jour observer exactement comment les molécules agissent dans les tissus biologiques, par exemple, ou créer de nouveaux types de circuits électroniques.