En utilisant une nouvelle méthode, Des physiciens de l'Institut Max Planck de physique nucléaire de Heidelberg ont étudié en détail la fragmentation ultrarapide des molécules d'hydrogène dans des champs laser intenses. Ils ont utilisé la rotation de la molécule déclenchée par une impulsion laser comme « horloge interne » pour mesurer le moment de la réaction qui a lieu dans une deuxième impulsion laser en deux étapes. Une telle « horloge de rotation » est un concept général applicable aux processus de fragmentation séquentielle dans d'autres molécules.

Comment une molécule se désagrège-t-elle dans un champ laser intense et quels processus séquentiels se déroulent à quelle vitesse ? Des physiciens du Heidelberg Max Planck Institute for Nuclear Physics ont étudié cette question en collaboration avec un groupe de recherche d'Ottawa au Canada avec une nouvelle méthode :l'étude de l'exemple de la molécule d'hydrogène H 2 . Pour faire ça, ils utilisent des flashs laser extrêmement courts de l'ordre de la femtoseconde (fs, un millionième de milliardième de seconde). De telles impulsions laser jouent également un rôle clé dans le contrôle des réactions moléculaires, car ils influencent directement la dynamique des électrons responsables de la liaison chimique.

Si une molécule d'hydrogène (H 2 ) est exposé à un puissant flash laser infrarouge (longueur d'onde de 800 nm) de quelques 10 ¹⁴ W/cm ² intensité, le champ électrique du laser arrache d'abord l'un des deux électrons. Plus de 10 photons sont absorbés en même temps dans ce processus d'ionisation. L'ion moléculaire restant H 2 ⁺ avec un seul électron n'est plus en équilibre et s'étire en raison de la répulsion des deux protons. En absorbant d'autres photons, il peut se décomposer en un proton (H ⁺ ) et un atome d'hydrogène neutre (H). Cette réaction est appelée dissociation au-dessus du seuil (ATD). Si l'ion moléculaire est étiré plus loin à une distance nucléaire de quelques rayons atomiques, l'électron restant peut absorber de l'énergie par résonance par le champ laser, comme dans une petite antenne, et est finalement également publié. Ce mécanisme est appelé ionisation renforcée (EI). Cela conduit à « l'explosion de Coulomb » des deux protons répulsifs.

Processus distingués par leur énergie cinétique

Les chercheurs étudient ces processus au laboratoire laser de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à l'aide d'un microscope à réaction, qui permet de détecter tous les fragments chargés (protons, électrons) après la rupture de la molécule. Les impulsions laser femtosecondes sont focalisées sur un mince faisceau supersonique de molécules d'hydrogène afin d'atteindre l'intensité souhaitée. Les protons des processus ATD et EI peuvent être distingués par leur énergie cinétique.

Évidemment, L'IE prend un peu plus de temps que l'ATD, mais combien et cela peut-il être mesuré ? Ici, un problème se pose car l'impulsion laser doit durer suffisamment longtemps (environ 25 fs) pour démarrer ces processus, mais doit être suffisamment court pour extraire des informations temporelles précises (quelques fs). Comme cela ne peut pas être réalisé en une seule impulsion laser, les chercheurs ont utilisé l'astuce suivante :en principe, chaque molécule possède une sorte d'« horloge interne » puisqu'elle peut être stimulée pour tourner.

Une première impulsion de pompe (légèrement plus faible) excite la rotation moléculaire, suivie avec un délai variable d'une seconde impulsion de sonde (légèrement plus forte) déclenchant la fragmentation (ATD ou EI). Les deux processus sont sensibles à l'orientation de l'axe moléculaire par rapport au plan dans lequel le champ électrique oscille - ils sont très probablement orientés parallèlement. Les deux impulsions laser sont polarisées linéairement perpendiculairement l'une à l'autre afin de trier les événements de fragmentation à partir de la première impulsion.

Une approche générale du contrôle de la dynamique moléculaire

Le rendement expérimental des événements ATD et EI montre une montée et une descente presque régulières, correspondant à la rotation de la molécule. Dans une analyse plus approfondie, cependant, un léger retard d'env. 5,5 fs est observé pour EI par rapport à ATD. C'est le temps typique que l'ion moléculaire a besoin pour s'étirer jusqu'à ce que l'électron se couple de manière résonante au champ laser. À l'aide de calculs de modèles théoriques, des détails supplémentaires peuvent être extraits et les résultats expérimentaux sont très bien reproduits. L'expérience a également été réalisée avec l'isotope plus lourd deutérium (D 2 ). Ici, le retard est d'env. 6,5 fs. Ceci est légèrement inférieur à la valeur attendue sur la base du rapport de masse (facteur √2). La raison en est le mouvement plus lent de D 2 ⁺ , qui atteint la région EI après env. 20 fs—pour cela, il y a à peine assez de temps pendant une impulsion laser de 25 fs.

La méthode d'une horloge de rotation peut, en principe, être appliquée à des réactions similaires à plusieurs étapes dans d'autres molécules et constitue ainsi peut-être même la base d'une approche générale du contrôle de la dynamique moléculaire.