Danse quantique électronique dans les molécules
Les scientifiques observent en temps réel la densité de charge en mouvement
Une équipe de recherche internationale dirigée par Tim Laarmann, scientifique au DESY, a réussi pour la première fois à suivre l'évolution de la distribution des charges électroniques par la mécanique quantique dans les molécules de glycine, par une mesure directe en temps réel. Les résultats - obtenus au brillant laser à électrons libres FLASH de DESY - sont publiés dans la revue scientifique Science Advances. Une meilleure connaissance des effets quantiques dans le mouvement des électrons au niveau moléculaire peut ouvrir la voie au contrôle, à l'optimisation et à l'ingénierie des rayonnements ionisants utilisés par exemple en radiothérapie pour le traitement du cancer.
Dans l'expérience prump-probe, la molécule de glycine est d'abord ionisée par l'impulsion de rayons X de haute intensité du laser à électrons libres FLASH de DESY (à gauche). Cela induit un mouvement corrélé des électrons de valence et des trous, représenté par les lobes rouge et bleu. Après un délai variable de 0 à 175 femtosecondes, l'impulsion de la sonde échantillonne l'état de l'ion glycine et le mouvement des électrons par une ionisation supplémentaire et la mesure des produits d'ionisation (à droite). Dans cet exemple, un délai de 10 femtosecondes est représenté, ce qui montre deux extrema du mouvement oscillatoire électron/trou, c'est-à-dire une demi-période de la cohérence électronique.
DESY, David Schwickert
"L'acide aminé glycine est un élément de base abondant des protéines et joue un rôle dans les sites de reconnaissance sur les membranes cellulaires et les enzymes", explique M. Laarmann. "En raison de sa nature compacte et de sa tendance à former des liaisons hydrogène, il facilite le repliement des protéines dans les réactions biomoléculaires. Seule, elle est utilisée comme neurotransmetteur inhibiteur dans le système nerveux central." La glycine a également été trouvée dans l'espace et constitue donc une première signature de la vie extra-terrestre. La réactivité moléculaire dans les environnements astronomiques difficiles est un aspect important, et en particulier la façon dont les molécules isolées interagissent avec les rayonnements ionisants est une question clé en astrochimie.
Lorsqu'un rayonnement énergétique frappe une molécule de glycine, l'un de ses électrons est souvent arraché à la molécule. Dans l'ion glycine qui en résulte, la charge électronique commence à se redistribuer, ce qui entraîne une oscillation de la densité de charge en fonction du temps. Pour ioniser la glycine, l'équipe a utilisé les impulsions ultracourtes de FLASH, chacune durant moins de cinq femtosecondes, soit 5 quadrillionièmes de seconde. "Avec ces flashs et en appliquant des algorithmes sophistiqués de traitement des données, nous avons pu retirer chirurgicalement l'un des 40 électrons de la glycine d'une orbitale particulière", rapporte le premier auteur, David Schwickert, de DESY, qui a fait son doctorat sur ce projet.
Le scientifique a ensuite utilisé FLASH comme une caméra flash pour enregistrer des images du mouvement de la charge électronique. "Pour la première fois, nous avons pu effectuer des mesures directes en temps réel de la dynamique des électrons dans cette molécule complexe d'acide aminé, après ionisation", explique Laarmann. Les observations aboutissent à un film montrant à 175 femtosecondes l'oscillation de la charge électronique et la façon dont elle affecte le mouvement nucléaire. Si l'élimination initiale de l'électron entraîne une charge positive sur un atome spécifique de la molécule, l'oscillation de la charge qui suit crée un champ de force qui fait également bouger les noyaux.
Du point de vue de la mécanique quantique, l'électron sortant laisse derrière lui l'ion moléculaire dans une superposition dite cohérente d'états propres. Cette cohérence influence la façon dont la molécule réagit chimiquement. La compréhension de ce comportement quantique pourrait ouvrir une voie permettant de faire agir les biomolécules de la manière souhaitée. "Une condition préalable à tout contrôle de la dynamique électronique et nucléaire vers des voies de réaction moléculaire spécifiques est une analyse détaillée des propriétés structurelles, lorsque la molécule est amenée à sortir de l'équilibre, et ici en particulier l'analyse et le contrôle de la structure électronique dépendant du temps définissant le paysage d'énergie potentielle dans lequel les noyaux se déplacent", explique le co-auteur Marco Ruberti de l'Imperial College London, qui a réalisé des simulations multi-électroniques de la glycine avec un collègue de l'Université Charles à Prague. "En accord avec nos simulations, les expériences sur la glycine menées à FLASH apportent un soutien direct à l'existence d'une cohérence électronique de longue durée dans les biomolécules photoionisées."
Des scientifiques de DESY, de l'Imperial College London, de l'Université Charles de Prague, de l'Université de Hambourg, de l'Université de Kassel, de l'Université Helmut Schmidt de Hambourg, de l'Institut Helmholtz d'Iéna, du Centre Helmholtz de recherche sur les ions lourds (GSI) de Darmstadt, de l'Université Friedrich-Schiller d'Iéna et du Centre Helmholtz de Berlin pour les matériaux et l'énergie ont participé à cette recherche.
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.
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