Swing moléculaire piloté par la lumière —


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  • Les scientifiques du LMU et de l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ) ont utilisé des impulsions laser ultracourtes pour faire vibrer les atomes des molécules et ont acquis une compréhension précise de la dynamique du transfert d’énergie qui a lieu dans le processus.

    Lorsque la lumière frappe les molécules, elle est absorbée et réémise. Les progrès de la technologie laser ultrarapide ont régulièrement amélioré le niveau de détail dans les études de ces interactions lumière-matière. FRS, une méthode de spectroscopie laser dans laquelle le champ électrique des impulsions laser se répétant des millions de fois par seconde est enregistré avec une résolution temporelle après avoir traversé l’échantillon, fournit désormais des informations encore plus approfondies : des scientifiques dirigés par le professeur Regina de Vivie-Riedle ( LMU/Département de chimie) et le PD Dr Ioachim Pupeza (LMU/Département de physique, MPQ) montrent pour la première fois en théorie et expérimentent comment les molécules absorbent progressivement l’énergie de l’impulsion lumineuse ultracourte dans chaque cycle optique individuel, puis libèrent à nouveau sur une plus longue période de temps, la convertissant ainsi en lumière spectroscopiquement significative. L’étude élucide les mécanismes qui déterminent fondamentalement ce transfert d’énergie. Il développe et vérifie également un modèle chimique quantique détaillé qui peut être utilisé à l’avenir pour prédire quantitativement même les plus petits écarts par rapport au comportement linéaire.

    Un enfant sur une balançoire la met en mouvement avec des mouvements d’inclinaison du corps, qui doivent être synchronisés avec le mouvement de la balançoire. Cela ajoute progressivement de l’énergie à la balançoire, de sorte que la déviation de la balançoire augmente avec le temps. Quelque chose de similaire se produit lorsque le champ électromagnétique alternatif d’une courte impulsion laser interagit avec une molécule, environ 100 trillions de fois plus vite : lorsque le champ alternatif est synchronisé avec les vibrations entre les atomes de la molécule, ces modes de vibration absorbent de plus en plus d’énergie de l’impulsion lumineuse, et l’amplitude de vibration augmente. Lorsque les oscillations du champ d’excitation sont terminées, la molécule continue de vibrer pendant un certain temps – tout comme une balançoire après que la personne a arrêté les mouvements d’inclinaison. Comme une antenne, les atomes légèrement chargés électriquement en mouvement émettent alors un champ lumineux. Ici, la fréquence de l’oscillation du champ lumineux est déterminée par les propriétés de la molécule telles que les masses atomiques et les forces de liaison, ce qui permet une identification de la molécule.

    Des chercheurs de l’équipe attoworld du MPQ et du LMU, en collaboration avec des chercheurs du LMU du Département de Chimie (Division de Femtochimie Théorique), ont maintenant distingué ces deux parties constitutives du champ lumineux — d’une part, les impulsions lumineuses excitatrices, et de l’autre, les oscillations du champ lumineux décroissant — en utilisant la spectroscopie résolue en temps. Ce faisant, ils ont étudié le comportement de molécules organiques dissoutes dans l’eau. « Alors que les méthodes de spectroscopie laser établies ne mesurent généralement que le spectre et ne permettent donc aucune information sur la distribution temporelle de l’énergie, notre méthode peut suivre avec précision comment la molécule absorbe un peu plus d’énergie à chaque oscillation ultérieure du champ lumineux », explique Ioachim Pupeza, chef de l’expérience. Que la méthode de mesure permette cette distinction temporelle est mieux illustré par le fait que les scientifiques ont répété l’expérience, en modifiant la durée de l’impulsion excitatrice mais sans modifier son spectre. Cela fait une grande différence pour le transfert d’énergie dynamique entre la lumière et la molécule vibrante : Selon la structure temporelle de l’impulsion laser, la molécule peut alors absorber et restituer de l’énergie plusieurs fois au cours de l’excitation.

    Afin de comprendre exactement quelles contributions sont décisives pour le transfert d’énergie, les chercheurs ont développé un modèle de chimie quantique basé sur un supercalculateur. Ceci peut expliquer les résultats des mesures sans l’aide des valeurs mesurées. « Cela nous permet de désactiver artificiellement des effets individuels tels que les collisions des molécules vibrantes avec leur environnement, ou encore les propriétés diélectriques de l’environnement, et ainsi d’élucider leur influence sur le transfert d’énergie » explique Martin Peschel, l’un des premiers auteurs de l’étude.

    En fin de compte, l’énergie réémise lors des oscillations du champ lumineux décroissant est décisive pour la quantité d’informations pouvant être obtenues à partir d’une mesure spectroscopique. Les travaux apportent ainsi une contribution précieuse à une meilleure compréhension de l’efficacité des spectroscopies optiques, par exemple sur les compositions moléculaires de fluides ou de gaz, dans le but de l’améliorer toujours plus.

    Source de l’histoire :

    Matériaux fourni par Ludwig-Maximilians-Universität München. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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