Une lumière laser intense modifie l'appariement des électrons.
La découverte de la lumière permet de contrôler les réactions chimiques de bas en haut à l'aide de lasers, en se basant uniquement sur les électrons, la "colle" de la chimie.
L'interaction d'échange quantique-mécanique entre les électrons, conséquence du principe d'exclusion de Pauli, peut être spécifiquement modifiée par des champs lumineux infrarouges intenses sur des échelles de temps de quelques femtosecondes, comme le montrent des expériences à résolution temporelle sur des molécules d'hexafluorure de soufre. Cette découverte ouvre la voie à un contrôle ascendant des réactions chimiques à l'aide de lasers, en se basant uniquement sur les électrons, la "colle" de la chimie.
Interaction d'échange entre l'électron (e-), excité par la lumière des rayons X, et le trou laissé derrière dans le niveau d'énergie de séparation spin-orbite (h+ dans le cercle ou l'ovale), sans (en haut), et avec (en bas), une impulsion laser infrarouge qui entraîne davantage l'électron.
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Trajectoire du faisceau visualisée lors de l'expérience.
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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 qui sont 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 ne peuvent jamais coïncider dans tous les nombres quantiques, c'est pourquoi les électrons dont le spin est identique "s'écartent les uns des autres". C'est le fameux principe d'exclusion de Pauli. En revanche, seuls les électrons de spin opposé peuvent se rapprocher les uns des autres et former des paires.
Les électrons des atomes et des molécules peuvent être excités par la lumière, c'est-à-dire qu'ils peuvent passer d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau supérieur. La position des niveaux d'énergie détermine les couleurs de la lumière qui sont absorbées - et celles-ci sont caractéristiques de l'atome ou de la molécule en question, donnant lieu à une empreinte digitale unique en spectroscopie. En général, les électrons libèrent ensuite très rapidement cette énergie, 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 dans la division de Thomas Pfeifer au MPI pour la physique nucléaire travaille sur la manipulation spécifique des molécules avec des lasers afin qu'elles subissent une certaine - et seulement cette - réaction. Ils ont maintenant réussi à franchir une étape fondamentale vers cet objectif grâce à une expérience et un modèle théorique délicats qu'ils ont développés dans le cadre du pôle 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 permettant d'affecter et de mesurer l'interaction d'échange effective entre plusieurs électrons liés dans une molécule avec deux impulsions laser de couleur différente. 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 l'ensemble de la molécule pendant un court instant 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, l'interaction d'échange permet d'obtenir une structure double. "Mais maintenant, l'interaction d'échange de l'électron excité avec ce trou restant modifie à nouveau cette double structure", explique Patrick Rupprecht, doctorant au MPIK et premier auteur de l'étude.
L'irradiation simultanée d'une lumière laser infrarouge intense permet maintenant d'entraîner l'électron excité encore plus loin dans son mouvement : Elle est dite "polarisée". Comme l'a montré l'étude, cela conduit à une interaction d'échange effective modifiée avec le trou au niveau de l'atome de soufre. Cela s'est traduit dans l'expérience par un changement caractéristique de la force relative des deux lignes et peut être attribué aux propriétés de symétrie des états électroniques concernés. "Afin d'étudier exclusivement le mouvement des électrons, avec une influence négligeable du mouvement nucléaire qui s'ensuit, nous avons utilisé une technique ultrarapide avec des impulsions laser courtes de quelques femtosecondes seulement", ajoute le chef de groupe Christian Ott. "Les mesures démontrent que le laser influence de manière significative l'interaction d'échange effective entre les électrons impliqués - et que le degré de cette influence peut être contrôlé par l'intensité du laser." Les simulations ab-initio de la théorie quantique étayent ce résultat, qui ouvre la voie à l'utilisation des lasers comme une sorte de réactifs chimiques fondamentaux permettant d'agir directement sur le niveau mécanique quantique des électrons de liaison.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Laser control of electronic exchange interaction within a molecule, Patrick Rupprecht, Lennart Aufleger, Simon Heinze, Alexander Magunia, Thomas Ding, Marc Rebholz, Stefano Amberg, Nikola Mollov, Felix Henrich, Maurits W. Haverkort, Christian Ott, and Thomas Pfeifer, Phys. Rev. Lett. 128, 153001 (2022)
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