Réactions chimiques, tels que ceux qui se produisent lors de la charge et de la décharge d'une batterie, ont lieu principalement sur les surfaces et aux interfaces. Alors qu'il est très facile d'étudier les produits macroscopiques d'une réaction, il a été difficile jusqu'à présent de se faire une idée plus précise du déroulement des réactions chimiques au niveau atomique. Cela nécessite des méthodes de mesure qui permettent de faire des observations sur des échelles de temps extrêmement courtes sur lesquelles se déroulent les réactions chimiques.

En principe, les méthodes spectroscopiques avec des impulsions laser très courtes pour une résolution temporelle conviennent pour cela. À la fois, la lumière laser doit être d'une longueur d'onde très courte, comme l'explique le physicien Tobias Helk de l'Université Friedrich Schiller d'Iéna :"Pour pouvoir étudier spécifiquement des éléments individuels à l'aide de la résonance électronique du noyau, une lumière laser d'une longueur d'onde de quelques nanomètres est requise, c'est-à-dire rayonnement dans l'extrême ultraviolet (XUV) ou dans la gamme des rayons X du spectre."

Pour observer les processus chimiques, il est également important de pouvoir étudier les interfaces entre les milieux et les surfaces des matériaux où se déroulent les réactions chimiques, ajoute Helk. En plus des courtes longueurs d'onde et des courtes durées, les impulsions laser doivent également avoir une intensité extrêmement élevée pour pouvoir provoquer des effets non linéaires, comme on les appelle, qui permettent de remonter le signal de mesure jusqu'à l'interface.

Jusque là, cependant, il existe très peu de méthodes pour générer un rayonnement laser aussi intense dans la gamme des rayons XUV et X. "Jusqu'à maintenant, cela n'a été possible que dans des installations de recherche à grande échelle telles que le laser à électrons libres FLASH à DESY, " déclare le professeur Christian Spielmann de l'Institut d'optique et d'électronique quantique de l'Université d'Iéna. Cependant, lui et son équipe, avec des chercheurs américains et français, ont maintenant trouvé un moyen de rendre de telles investigations possibles dans un laboratoire laser standard.

Doublement de fréquence non linéaire sur une surface en titane

À cette fin, un laser à rayons X doux du Laboratoire d'Optique Appliquée de Palaisseau (France) a été utilisé comme source lumineuse. « Dans notre expérience, nous mettons en place une géométrie de focalisation spéciale, constitué d'un miroir de forme elliptique qui permet de concentrer le rayonnement laser sur une très petite surface, " dit le doctorant Helk, auteur principal de l'étude. Le rayonnement d'une longueur d'onde de 32,8 nanomètres a été focalisé sur une feuille de titane ultra-mince et son interaction non linéaire avec les particules de matière a été analysée.

"Comme on le sait déjà d'après des études avec des rayonnements dans le domaine visible et infrarouge, la lumière avec de nouvelles propriétés peut être générée par l'interaction de particules de lumière et de particules de matière, " explique Helk. Dans un processus connu sous le nom de doublement de fréquence non linéaire (ou génération de deuxième harmonique), par exemple, deux photons de la lumière irradiée sont absorbés par le matériau et un photon avec deux fois la fréquence (deux fois l'énergie) est émis.

Et c'est précisément cet effet que les chercheurs ont pu mettre en évidence. Avec un spectromètre, ils ont séparé le rayonnement résultant de l'interaction avec la feuille de titane et l'ont enregistré à l'aide d'une caméra. En comparant les simulations avec les résultats de mesure, ils ont également pu montrer que le rayonnement résultant provient de la surface de la feuille de titane et non à l'intérieur du matériau.

« Pouvoir réaliser cette forme de spectroscopie de surface dans la gamme XUV à l'échelle du laboratoire ouvre des perspectives complètement nouvelles. Par exemple, les processus chimiques sur les surfaces ou aux interfaces cachées peuvent désormais être étudiés du point de vue d'un seul atome dans des environnements chimiques autrement complexes, " déclare le professeur Michael Zürch de l'Université de Californie, décrivant l'importance du résultat. Par ailleurs, la courte durée des impulsions utilisées permet l'investigation des processus dynamiques aux interfaces, tels que ceux qui se produisent pendant la charge et la décharge des batteries.