L'oscillation moléculaire induite par la lumière
Les scientifiques ont utilisé des impulsions laser ultrabrèves pour faire vibrer les atomes des molécules et ont acquis une compréhension précise de la dynamique du transfert d'énergie.
Lorsque la lumière entre en contact avec des molécules, elle est absorbée et réémise. Les progrès de la technologie laser ultrarapide ont permis d'améliorer régulièrement le niveau de détail des études de ces interactions lumière-matière. La FRS, une méthode de spectroscopie laser dans laquelle le champ électrique d'impulsions laser se répétant des millions de fois par seconde est enregistré avec une résolution temporelle après avoir traversé l'échantillon, permet désormais d'obtenir des informations encore plus détaillées : les scientifiques dirigés par le professeur Regina de Vivie-Riedle (LMU/Département de chimie) et le professeur Ioachim Pupeza (LMU/Département de chimie) sont en train de mettre au point une méthode de spectroscopie laser. Ioachim Pupeza (LMU/Département de physique, MPQ) montrent pour la première fois en théorie et en expérience comment les molécules absorbent progressivement l'énergie de l'impulsion lumineuse ultracourte dans chaque cycle optique individuel, puis la libèrent à nouveau sur une période plus longue, la convertissant ainsi en lumière spectroscopiquement significative. L'étude élucide les mécanismes qui déterminent fondamentalement ce transfert d'énergie. Elle développe et vérifie également un modèle chimique quantique détaillé qui pourra être utilisé à l'avenir pour prédire quantitativement les plus petits écarts par rapport au comportement linéaire.
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Un enfant sur une balançoire la met en mouvement par 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. Il se passe quelque chose de similaire lorsque le champ électromagnétique alternatif d'une courte impulsion laser interagit avec une molécule, mais 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 des vibrations augmente. Lorsque les oscillations du champ d'excitation sont terminées, la molécule continue à vibrer pendant un certain temps - tout comme une balançoire après que la personne ait cessé ses mouvements de bascule. Comme une antenne, les atomes légèrement chargés électriquement en mouvement rayonnent 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 d'identifier la molécule.
"Nous pouvons suivre avec précision comment une molécule absorbe un peu plus d'énergie à chaque oscillation du champ lumineux", explique le Dr Ioachim Pupeza, responsable de l'expérience.
Les chercheurs de l'équipe attoworld de la LMU et du MPQ, en collaboration avec des chercheurs de la LMU du département de chimie (division de la femtochimie théorique), ont maintenant distingué ces deux parties constitutives du champ lumineux - d'une part, les impulsions lumineuses excitantes, et d'autre part, les oscillations décroissantes du champ lumineux - 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 établies de spectroscopie laser ne mesurent généralement que le spectre et ne permettent donc pas d'obtenir des informations sur la distribution temporelle de l'énergie, notre méthode permet de suivre précisément la manière dont la molécule absorbe un peu plus d'énergie à chaque oscillation du champ lumineux", explique Ioachim Pupeza, responsable de l'expérience. Le fait que la méthode de mesure permette cette distinction temporelle est parfaitement illustré par le fait que les scientifiques ont répété l'expérience en modifiant la durée de l'impulsion d'excitation, mais sans changer son spectre. Cela fait une grande différence pour le transfert dynamique d'énergie entre la lumière et la molécule vibrante : En fonction de la structure temporelle de l'impulsion laser, la molécule peut alors absorber et libérer de l'énergie plusieurs fois au cours de l'excitation.
Un modèle de chimie quantique basé sur un superordinateur
Afin de comprendre exactement quelles contributions sont décisives pour le transfert d'énergie, les chercheurs ont développé un modèle chimique quantique basé sur un superordinateur. Celui-ci peut expliquer les résultats des mesures sans l'aide de 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 d'élucider ainsi 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 pendant les oscillations du champ lumineux décroissant est déterminante pour la quantité d'informations que l'on peut obtenir d'une mesure spectroscopique. Ce travail apporte donc une contribution précieuse à une meilleure compréhension de l'efficacité des spectroscopies optiques, par exemple en ce qui concerne les compositions moléculaires des fluides ou des gaz, dans le but de l'améliorer toujours plus.
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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