L'approche expérimentale utilisée par les scientifiques s'appuie sur une percée réalisée il y a quelques années en spectroscopie moléculaire :la tomographie orbitale à photoémission, qui lui-même est basé sur l'effet photoélectrique bien connu. "Ici, une couche de molécules sur une surface métallique est bombardée de photons, ou des particules de lumière, qui excite les électrons et provoque leur libération, " explique le professeur Peter Puschnig de l'université de Graz. " Ces électrons libérés ne volent pas simplement dans l'espace, mais - et c'est le point décisif - en fonction de leur répartition angulaire et de leur répartition énergétique, ils fournissent une bonne indication de la distribution spatiale des électrons dans les orbitales moléculaires."

"Le résultat clé de notre travail est que nous pouvons imager les tomogrammes orbitaux avec une résolution ultra-élevée au fil du temps, " dit le Dr Robert Wallauer, chef de groupe et assistant de recherche à la Philipps-Universität Marburg. Faire cela, les scientifiques n'ont pas seulement utilisé des lasers spéciaux avec des impulsions ultracourtes de l'ordre de la femtoseconde pour exciter les électrons dans les molécules; ils ont également utilisé un nouveau microscope à impulsions qui mesurait simultanément la direction et l'énergie des électrons libérés avec une très grande sensibilité. Une femtoseconde vaut 10 ^-15 secondes, un millionième de milliardième de seconde. Par rapport à une seconde, c'est aussi peu qu'une seconde par rapport à 32 millions d'années. De telles impulsions courtes sont comme une sorte de lumière stroboscopique et peuvent être utilisées pour décomposer des processus rapides en images individuelles. Cela a permis aux chercheurs de suivre le transfert d'électrons comme au ralenti. "Cela nous a permis de tracer spatialement les voies d'excitation des électrons presque en temps réel, " dit Tautz. " Dans notre expérience, un électron a d'abord été excité de son état initial à une orbitale moléculaire inoccupée par une première impulsion laser avant qu'une seconde impulsion laser ne lui permette d'atteindre enfin le détecteur. Non seulement avons-nous pu observer ce processus en détail au fil du temps, mais les tomogrammes nous ont également permis de tracer clairement d'où venaient les électrons."

"Nous pensons que nos découvertes représentent une percée cruciale vers l'objectif de tracer des électrons à travers des réactions chimiques dans l'espace et le temps, " dit Ulrich Höfer. " En plus des connaissances fondamentales sur les réactions chimiques et les processus de transfert d'électrons, ces résultats auront également des implications très pratiques. Ils ouvrent d'innombrables possibilités d'optimisation des interfaces et des nanostructures et des processeurs qui en résultent, capteurs, affiche, cellules solaires organiques, catalyseurs, et potentiellement même des applications et des technologies auxquelles nous n'avons même pas encore pensé."

L'étude est publiée dans Science .