Pratiquement tous les processus chimiques vitaux se déroulent dans des solutions aqueuses. Dans de tels processus, un rôle décisif est joué par les électrons qui sont échangés entre différents atomes et molécules et ainsi, par exemple, créent ou rompent des liaisons chimiques. Les détails de la façon dont cela se produit, cependant, sont difficiles à étudier car ces électrons se déplacent très rapidement.

Des chercheurs de l'ETH Zurich dirigés par Hans Jakob Wörner, professeur de chimie physique, en collaboration avec des collègues du Lawrence Berkeley National Laboratory (États-Unis) ont réussi à étudier la dynamique des électrons dans des amas de molécules d'eau avec une résolution temporelle de quelques attosecondes. Leurs résultats sont récemment parus en avant-première dans la revue scientifique Nature .

Délai d'ionisation

Dans leurs expériences, les scientifiques ont étudié comment les amas d'eau sont ionisés par une courte impulsion laser dans l'ultraviolet extrême. À cette fin, les grappes sont d'abord créées en pressant la vapeur d'eau à travers une minuscule buse sous haute pression. L'énergie des photons ultraviolets extrêmes de l'impulsion laser provoque alors la libération d'un électron de l'amas. Cela conduit à une vacance également appelée "trou".

La libération de l'électron, cependant, ne se produit pas immédiatement après l'arrivée de l'impulsion, mais plutôt après un court délai. Ce retard dépend de la façon dont le trou d'électron est distribué à travers les molécules du cluster. "Jusqu'à présent, la distribution du trou ne pouvait être calculée que théoriquement, car le délai est bien trop court pour être mesuré avec les méthodes traditionnelles", explique Xiaochun Gong, le post-doc qui était en charge du projet.

Résolution attoseconde avec deux impulsions laser

Le retard ne dure en réalité que quelques attosecondes, soit quelques milliardièmes de milliardième de seconde. Pour apprécier à quel point une attoseconde est courte, on peut faire la comparaison suivante :le nombre d'attosecondes dans une seule seconde est à peu près le nombre de secondes dans 32 milliards d'années.

Pour pouvoir mesurer les périodes extrêmement courtes de quelques attosecondes, Wörner et ses collaborateurs ont scindé une impulsion laser infrarouge très intense en deux parties, dont l'une a été convertie dans l'ultraviolet extrême par multiplication de fréquence dans un gaz noble. Ils chevauchaient les deux impulsions et visaient tous les deux les grappes d'eau.

L'impulsion infrarouge modifiait l'énergie des électrons éjectés par l'impulsion laser ultraviolette. La phase oscillatoire de l'impulsion laser infrarouge pourrait être réglée très précisément à l'aide d'un interféromètre. Le nombre d'événements d'ionisation, mesuré à l'aide de détecteurs, variait en fonction de la phase oscillatoire. À partir de ces mesures, les chercheurs ont ensuite pu lire directement le retard d'ionisation.

"Puisque nous avons pu déterminer la taille de l'amas d'eau d'origine pour chaque événement d'ionisation à l'aide d'un spectromètre de masse, nous avons pu montrer que le retard dépend de la taille de l'amas", explique Saijoscha Heck, titulaire d'un doctorat. étudiant dans le groupe de Wörner. Jusqu'à une taille d'amas de quatre molécules d'eau, le retard augmente régulièrement jusqu'à une centaine d'attosecondes. Pour cinq molécules d'eau ou plus, cependant, il reste pratiquement constant. Ceci est lié au haut degré de symétrie présenté par les petits amas, ce qui permet au trou d'électron de se répandre sur l'ensemble de l'amas selon les règles de la mécanique quantique. En revanche, les grappes de bière blonde sont plutôt asymétriques et désordonnées et, par conséquent, le trou se localise sur quelques molécules d'eau.

Applications également dans la technologie des semi-conducteurs

"Avec ces mesures d'attosecondes, nous avons ouvert de toutes nouvelles opportunités de recherche", déclare Wörner. Il prévoit déjà des expériences de suivi dans lesquelles il souhaite résoudre la dynamique du trou d'électron à la fois dans l'espace et dans le temps en utilisant des impulsions laser supplémentaires. Entre autres choses, Wörner espère que cela conduira à une meilleure compréhension de la façon dont les dommages causés par les rayonnements se développent dans les tissus biologiques, étant donné que l'ionisation de l'eau joue un rôle dominant dans ce processus.

Mais Wörner voit également diverses applications possibles au-delà de la recherche sur la dynamique des électrons dans l'eau. Par exemple, pour réaliser des composants électroniques plus rapides, une compréhension approfondie de l'extension spatiale des états des électrons et des trous et de leur évolution dans le temps est indispensable. Ici, la nouvelle technique développée par les chercheurs de l'ETH pourrait être extrêmement utile. + Explorer plus loin

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