Le problème se pose lorsque l’on tente de suivre simultanément les mouvements nucléaires et électroniques, car leurs dynamiques sont difficiles à démêler et se produisent à des échelles de temps ultrarapides comparables. C'est pourquoi, ces dernières années, capturer l'évolution dynamique moléculaire en temps réel est devenu l'un des défis les plus brûlants partagés par les physiciens et les chimistes.

Cependant, dans une récente étude Nature Photonics publication, les chercheurs de l'ICFO Dr Stefano Severino, Dr Maurizio Reduzzi, Dr Adam Summers, Hung-Wei Sun, Ying-Hao Chien dirigés par le professeur ICREA à l'ICFO Jens Biegert, avec le soutien théorique du Dr Karl Michael Ziems et Le professeur Stefanie Gräfe de la Friedrich-Schiller-Universität Jena a présenté un outil puissant basé sur la spectroscopie attoseconde au niveau central pour étudier la dynamique moléculaire en temps réel, capable de surmonter les défis susmentionnés.

Ils ont comparé leur méthode en traçant l’évolution du furane en phase gazeuse, une molécule organique composée de carbone, d’hydrogène et d’un oxygène disposée selon une géométrie pentagonale. Sa structure cyclique donne à ce type d'espèce le nom d'"anneau" chimique.

Le choix n’était pas arbitraire, car le furane est le système prototype pour l’étude des cycles organiques hétérocycliques, constituants essentiels de nombreux produits quotidiens tels que les carburants, les produits pharmaceutiques ou les produits agrochimiques. Connaître leur dynamique et leurs processus de relaxation est donc d'une importance capitale.

Histoire de vie du furane débloquée

L’équipe a pu résoudre dans le temps les détails de toute la dynamique d’ouverture du cycle du furane, c’est-à-dire la fission de la liaison entre un carbone et l’oxygène, qui brise sa structure cyclique. Pour ce faire, ils ont dû suivre les soi-disant intersections coniques (CI), des passerelles ultrarapides entre différents états énergétiques que le furane entreprend dans son évolution vers l'ouverture des anneaux.

Dans leur expérience, un faisceau lumineux (l’impulsion de pompe) a d’abord excité la molécule de furane. Ensuite, une attoseconde et une impulsion beaucoup plus faible (la sonde) ont été utilisées pour surveiller les changements induits par la pompe dans l'échantillon.

Après la photoexcitation initiale, les trois intersections coniques attendues ont été localisées dans le temps en analysant l'évolution du spectre d'absorption en fonction du délai entre la pompe et la sonde. L'apparition et la disparition des caractéristiques d'absorption, ainsi que leur comportement oscillatoire, fournissent des signatures des changements dans l'état électronique du furane.

De plus, ils ont pu constater que le passage par la première transition CI génère une superposition quantique entre les états électroniques initial et final, qui se manifeste sous la forme de battements quantiques. Ce phénomène ultrarapide, qui ne peut être expliqué qu'à l'aide de la théorie quantique, était extrêmement difficile à identifier lors d'expériences précédentes.

Le deuxième CI était, en principe, encore plus difficile à capturer, car l’état électronique final n’émet ni n’absorbe de photons (il s’agit d’un état optiquement sombre) et sa détection par les méthodes conventionnelles est donc extrêmement exigeante. Néanmoins, dans ce cas, leur plateforme a accompli la tâche aussi bien qu'avant.

Après cela, l'ouverture du ring était censée avoir lieu et l'équipement de l'équipe a de nouveau été victorieux dans sa détection. Le passage de la molécule d’une géométrie d’anneau fermé à une géométrie d’anneau ouvert implique une rupture de symétrie qui s’imprime dans le spectre d’absorption. L'outil spectroscopique utilisé par les chercheurs s'est révélé extrêmement sensible à la structure nucléaire, et l'ouverture du cycle s'est manifestée par l'apparition de nouveaux pics d'absorption.

Finalement, la molécule s'est détendue dans l'état fondamental (l'orbitale moléculaire la plus basse disponible) via la troisième intersection conique, dont la transition a été à nouveau résolue avec précision dans le temps.

Le succès de la spectroscopie d'absorption attoseconde au niveau du cœur

Dans l'ensemble, Biegert et son groupe ont proposé et rapporté avec succès une nouvelle méthodologie analytique pour dévoiler le processus complexe et complexe qu'est l'ouverture des anneaux moléculaires dans son échelle de temps ultrarapide native.

La combinaison d'une haute résolution temporelle et d'un spectre d'énergie cohérent de leur technique de pointe leur a permis non seulement de suivre les transitions du furane à travers des intersections coniques, mais également d'identifier les cohérences électroniques et nucléaires, les battements quantiques, les états optiquement sombres et les changements de symétrie, fournissant ainsi une image extrêmement détaillée de l'ensemble du processus de relaxation.

Il est important de souligner que la puissance de la spectroscopie attoseconde au niveau central ne se limite pas à cette molécule particulière mais consiste en un outil général conçu pour être également utilisé avec d'autres espèces.

Par conséquent, ce nouveau mécanisme peut mettre en lumière la dynamique complexe de fonctions pertinentes, telles que le mécanisme de photoprotection de la base de l’ADN. En outre, les chercheurs identifient la manipulation de réactions moléculaires efficaces et la dynamique de relaxation énergétique comme étant l'une des applications les plus prometteuses de leurs travaux.