L'interaction d'échange mécanique quantique entre les électrons, conséquence du principe d'exclusion de Pauli, peut être spécifiquement modifiée avec des champs de lumière infrarouge intenses sur des échelles de temps de quelques femtosecondes, comme le montrent des expériences résolues en temps sur des molécules d'hexafluorure de soufre. À l'avenir, cette découverte pourrait conduire à un contrôle ascendant des réactions chimiques avec des lasers basés uniquement sur les électrons, la "colle" de la chimie.

Les électrons forment les liaisons dans les molécules et jouent un rôle décisif dans les réactions chimiques. Dans les atomes et les molécules, les électrons sont disposés sur une séquence de niveaux d'énergie caractérisés par des nombres quantiques. Pour leur occupation, l'interaction de ces électrons entre eux - appelée interaction d'échange en mécanique quantique - joue également un rôle important. En effet, les électrons se comportent comme des gyroscopes miniatures :ils ont un spin qui peut pointer dans deux directions. Selon les lois de la mécanique quantique, plusieurs électrons d'une molécule peuvent ne jamais coïncider dans tous les nombres quantiques, c'est pourquoi les électrons avec un spin aligné de manière identique "s'écartent les uns des autres". C'est le fameux principe d'exclusion de Pauli. Seuls les électrons de spin opposé, en revanche, peuvent se rapprocher et former des paires.

Les électrons des atomes et des molécules peuvent être excités par la lumière, c'est-à-dire qu'ils peuvent être élevés d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau supérieur. La position des niveaux d'énergie détermine quelles couleurs de lumière sont absorbées - et celles-ci sont caractéristiques de l'atome ou de la molécule respective, donnant lieu à une empreinte digitale unique en spectroscopie. Habituellement, les électrons libèrent ensuite cette énergie très rapidement, par exemple sous forme de lumière (fluorescence) ou de chaleur (mouvement des noyaux). Cependant, des réactions photochimiques directes peuvent également avoir lieu à partir de l'état excité de la molécule.

Le groupe de Christian Ott au sein de la division de Thomas Pfeifer au MPI pour la physique nucléaire travaille sur la manipulation spécifique de molécules avec des lasers pour qu'elles subissent une réaction particulière. Aujourd'hui, ils ont réussi à franchir une étape fondamentale vers cet objectif avec une expérience délicate et un modèle théorique qu'ils ont développé dans le cadre du cluster d'excellence STRUCTURES avec le groupe de Maurits Haverkort à l'Institut de physique théorique de l'université de Heidelberg.

Pour la première fois, les physiciens ont réalisé une méthode pour affecter et mesurer l'interaction d'échange effective entre plusieurs électrons liés dans une molécule avec deux impulsions laser de couleurs différentes. À l'aide de rayons X doux, ils ont excité un électron profondément lié à l'atome de soufre dans une molécule d'hexafluorure de soufre, étendant ainsi son rayon de mouvement à la molécule entière pendant une courte période avant qu'il ne quitte la molécule. En raison de l'interaction dite spin-orbite des électrons profondément liés qui y restent, le trou formé au niveau de l'atome de soufre produit ainsi une double structure caractéristique de deux raies mesurables dans le spectre d'absorption des rayons X. "Maintenant, cependant, l'interaction d'échange de l'électron excité avec ce trou restant modifie à nouveau cette double structure", explique Patrick Rupprecht, Ph.D. étudiant à MPIK et premier auteur de l'étude.

La lumière laser infrarouge intense irradiée simultanément permet désormais d'entraîner l'électron excité encore plus loin dans son mouvement :c'est la polarisation. Comme l'étude publiée dans Physical Review Letters l'a montré, cela conduit à une interaction d'échange effective modifiée avec le trou au niveau de l'atome de soufre. Cela s'est révélé dans l'expérience comme un changement caractéristique de la force relative des deux lignes et peut être attribué aux propriétés de symétrie des états électroniques impliqués.

"Afin d'étudier exclusivement le mouvement des électrons, avec une influence négligeable du mouvement nucléaire ultérieur, nous avons utilisé une technique ultrarapide avec des impulsions laser courtes de quelques femtosecondes seulement", ajoute Christian Ott, responsable du groupe. "Les mesures démontrent que le laser influence de manière significative l'interaction d'échange efficace entre les électrons impliqués et que le degré de cette influence peut être contrôlé par l'intensité du laser." Des simulations ab-initio théoriques quantiques étayent le résultat, qui montre la voie à l'utilisation de lasers comme une sorte de réactifs chimiques fondamentaux qui traitent directement le niveau mécanique quantique des électrons de liaison. + Explorer plus loin

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