Des chercheurs examinent l’effet photoélectrique à l’aide d’un microscope à réaction COLTRIMS


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  • Il y a maintenant cent ans qu’Albert Einstein recevait le prix Nobel de physique pour ses travaux sur l’effet photoélectrique. Le jury n’avait pas encore vraiment compris sa théorie révolutionnaire de la relativité, mais Einstein avait également mené des travaux révolutionnaires sur l’effet photoélectrique. Grâce à son analyse, il a pu démontrer que la lumière comprend des paquets individuels d’énergie – appelés photons. Ce fut la confirmation décisive de l’hypothèse de Max Planck selon laquelle la lumière est composée de quanta, et ouvrit la voie à la théorie quantique moderne.

    Bien que l’effet photoélectrique dans les molécules ait été largement étudié entre-temps, il n’a pas encore été possible de déterminer son évolution dans le temps dans une mesure expérimentale. Combien de temps faut-il après qu’un quantum de lumière ait atteint une molécule pour qu’un électron soit délogé dans une direction spécifique ? « La durée entre l’absorption des photons et l’émission des électrons est très difficile à mesurer car ce n’est qu’une question d’attosecondes », explique Till Jahnke, directeur de thèse de Jonas Rist. Cela correspond à quelques légères oscillations. « Il était jusqu’à présent impossible de mesurer directement cette durée, c’est pourquoi nous l’avons maintenant déterminée indirectement. » À cette fin, les scientifiques ont utilisé un microscope à réaction COLTRIMS – un appareil de mesure avec lequel les atomes et les molécules individuels peuvent être étudiés avec des détails incroyables.

    Les chercheurs ont tiré des rayons X extrêmement intenses – générés par la source de rayonnement synchrotron BESSY II de Helmholtz-Zentrum Berlin – sur un échantillon de monoxyde de carbone au centre du microscope à réaction. La molécule de monoxyde de carbone est constituée d’un atome d’oxygène et d’un atome de carbone. Le faisceau de rayons X avait maintenant exactement la bonne quantité d’énergie pour déloger l’un des électrons de la couche d’électrons la plus interne de l’atome de carbone. En conséquence, la molécule se fragmente. Les atomes d’oxygène et de carbone ainsi que l’électron libéré ont ensuite été mesurés.

    « Et c’est là que la physique quantique entre en jeu », explique Rist. « L’émission des électrons ne se fait pas symétriquement dans toutes les directions. » Comme les molécules de monoxyde de carbone ont un axe remarquable, les électrons émis, tant qu’ils sont encore à proximité immédiate de la molécule, sont toujours affectés par ses champs électrostatiques. Cela retarde légèrement la libération – et à des degrés divers selon la direction dans laquelle les électrons sont éjectés.

    Comme, conformément aux lois de la physique quantique, les électrons ont non seulement un caractère particulaire mais aussi un caractère ondulatoire, qui se manifeste finalement sous la forme d’un motif d’interférence sur le détecteur. « Sur la base de ces effets d’interférence, que nous avons pu mesurer avec le microscope à réaction, la durée du retard a pu être déterminée indirectement avec une très grande précision, même si l’intervalle de temps est incroyablement court », explique Rist. « Pour ce faire, cependant, nous avons dû profiter de plusieurs des astuces possibles offertes par la physique quantique. »

    D’une part, les mesures ont montré qu’il ne faut en effet que quelques dizaines d’attosecondes pour émettre l’électron. En revanche, ils ont révélé que cet intervalle de temps dépend très fortement de la direction dans laquelle l’électron quitte la molécule, et que ce temps d’émission est également fortement dépendant de la vitesse de l’électron.

    Ces mesures ne sont pas seulement intéressantes pour la recherche fondamentale dans le domaine de la physique. Les modèles utilisés pour décrire ce type de dynamique électronique sont également pertinents pour de nombreux processus chimiques dans lesquels les électrons ne sont pas entièrement libérés, mais sont transférés aux molécules voisines, par exemple, et y déclenchent d’autres réactions. « A l’avenir, de telles expériences pourraient également aider à mieux comprendre la dynamique des réactions chimiques », déclare Jahnke.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Université Goethe de Francfort. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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