Une équipe de chercheurs internationaux dirigée par l'Impériale a utilisé une sonde à rayons X spéciale pour obtenir de nouvelles informations sur le comportement des électrons au niveau quantique.

Puisque les électrons entraînent de nombreuses réactions chimiques, la méthode pourrait conduire à une meilleure compréhension de la physique, la chimie et les sciences de la vie et pourrait à terme aider à concevoir des matériaux avancés et des cellules solaires plus efficaces.

L'équipe comprend des chercheurs de toute l'Europe, les États-Unis et le Japon dirigés par le professeur de l'Imperial Jon Marangos, Chaire Lockyer en physique. Leur article est publié dans la revue open source Examen physique X .

L'importance de la photoexcitation

L'image classique d'un atome, comme enseigné dans les écoles du monde entier, envisage un noyau central de protons et de neutrons serrés les uns contre les autres, autour duquel les électrons gravitent comme des planètes autour du soleil. Et comme les planètes, les électrons ont des orbites différentes, certains près du centre, un peu plus loin, en fonction de leur niveau d'énergie.

Bien que cette image ne soit qu'une approximation, il peut être utile pour comprendre le comportement des atomes et des molécules, par exemple lors de la photoexcitation. Ce processus important entraîne la photosynthèse et est essentiel à la production d'énergie solaire.

Ici, la lumière frappe une molécule provoquant le déplacement d'un électron vers une orbite d'énergie plus élevée, laissant derrière lui un "trou électronique" et plaçant la molécule dans un état excité, qui peut ensuite transférer de l'énergie aux parties voisines du système moléculaire étendu, déclenchant une chaîne d'événements qui conduisent finalement à la photosynthèse.

Le professeur Marangos explique, "Tous les processus solaires impliquent une photoexcitation et cela signifie initialement, qu'un électron se déplace, puis le reste du système répond. Mais nous ne comprenons pas exactement comment cet électron excité se couple au mouvement nucléaire dans cette chaîne complexe d'événements."

Il ajoute :« Nous réalisons maintenant à quel point la photoexcitation solaire est susceptible d'être importante pour notre avenir, et c'est pourquoi nous faisons cette recherche, afin que nous puissions vraiment obtenir la compréhension la plus détaillée et trouver des moyens d'optimiser le couplage entre l'événement initial et le résultat qui est technologiquement le plus souhaitable."

Donner aux molécules un rayon X

L'image ci-dessus des électrons en tant que planètes en orbite n'est qu'une approximation. En réalité, la physique quantique nous dit que les électrons ne sont jamais situés dans une position exacte à un moment donné.

Nous pouvons seulement dire qu'un électron particulier est, selon la prépondérance des probabilités, plus susceptibles d'être situés à certaines positions, se manifeste sous forme d'orbitales. Certaines personnes parlent d'un "nuage" ou d'un "frottis" d'électrons, qui fluctue et se déplace en réponse à un événement tel que la photoexcitation.

L'équipe de recherche s'est attachée à comprendre cette dynamique électronique, au niveau quantique, et suivre les changements à chaque instant au niveau de la femtoseconde (10 ^-15 secondes ou un quadrillionième de seconde).

Cela a été fait en utilisant un laser à rayons X spécialement configuré à la source de lumière cohérente Linac (LCLS) à Stanford, États-Unis À chaque tir, le laser délivre deux impulsions de rayons X ultracourtes séparées de quelques femtosecondes seulement :la première fait tomber un électron d'une molécule d'isopropanol en laissant un trou d'électron et la seconde, de manière cruciale, sonde et mesure le mouvement de l'état du trou.

L'équipe a découvert que ces états de trous électroniques se "détendent" rapidement dans de nouveaux états métastables de la molécule, par des réarrangements des positions des électrons et des atomes.

Notamment, ils ont observé que le mouvement des électrons, entraîné par des interactions avec d'autres électrons, peut être réalisé dans des délais très courts—seulement quelques femtosecondes (10 ^-15 secondes). Ils ont également observé les mouvements un peu plus lents des atomes, environ 10 femtosecondes, conduisant à la relaxation de l'état du trou d'électrons, de telle sorte qu'ils ne soient plus détectés par la sonde.

Collaborateur et co-auteur de l'étude, Dr Taran Driver, de l'Université de Stanford, commenté, "Avec ce travail, nous avons pu démontrer une nouvelle technique de mesure du mouvement ultrarapide des électrons qui se produit après la photoexcitation, ce qui est pertinent pour un certain nombre de processus importants tels que la génération d'énergie solaire ou les dommages causés par les radiations dans les systèmes vivants.

"Ce qui est particulièrement excitant avec cette méthode, c'est que les rayons X nous permettent de voir à quel site atomique de la molécule se trouve le trou d'électrons à un moment donné, avec la possibilité de le suivre lorsqu'il se déplace sur seulement quelques femtosecondes, voire quelques attosecondes."

Une connaissance approfondie des processus fondamentaux

La méthode développée par l'équipe pour sonder la dynamique des électrons pourrait désormais être utilisée plus largement pour étudier des molécules plus grosses et des matériaux plus complexes.

Finalement, une connaissance plus approfondie de ces processus fondamentaux pourrait être utilisée pour développer des matériaux avancés et orienter des réactions photochimiques, par exemple dans le contexte de la conception de cellules solaires.

Le professeur Marangos explique, « En utilisant cette méthode, vous pourriez en déduire que dans un matériau particulier, vous perdez beaucoup d'excitations sur certains canaux, et donc la question est de savoir comment concevoir ce matériau pour ne pas perdre d'excitations à travers ce canal et obtenir un transfert plus efficace vers le résultat souhaité. C'est une motivation à long terme pour ce que nous faisons."