Suivi du mouvement des électrons dans un état quantique de la matière à l’aide d’impulsions de rayons X de moins d’un millionième de milliardième de seconde

Moins d’un millionième de milliardième de seconde, des impulsions de rayons X attosecondes permettent aux chercheurs de scruter profondément les molécules et de suivre les électrons lorsqu’ils se déplacent et initient finalement des réactions chimiques.

Les scientifiques du laboratoire national des accélérateurs SLAC du ministère de l’Énergie ont mis au point une méthode pour générer des rafales laser à rayons X d’une durée de centaines d’attosecondes (ou milliardièmes de milliardième de seconde) en 2018. Cette technique, connue sous le nom d’impulsion attoseconde améliorée par laser à rayons X génération (XLEAP), permet aux chercheurs d’étudier comment les électrons se déplaçant autour des molécules déclenchent des processus clés en biologie, en chimie, en science des matériaux et dans d’autres domaines.

“Le mouvement des électrons est un processus important par lequel la nature peut déplacer l’énergie”, explique James Cryan, scientifique du SLAC. Une charge est créée dans une partie d’une molécule et elle est transférée à une autre partie de la molécule, déclenchant potentiellement une réaction chimique. C’est une pièce importante du puzzle quand on commence à penser aux dispositifs photovoltaïques pour la photosynthèse artificielle, ou le transfert de charge à l’intérieur d’une molécule. »

Maintenant, les chercheurs de la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC ont secoué les électrons dans une molécule en utilisant des impulsions attosecondes pour créer un état quantique excité et mesurer le comportement des électrons dans cet état avec des détails jamais vus auparavant. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Science.

“XLEAP nous permet de scruter profondément les molécules et de suivre le mouvement des électrons sur son échelle de temps naturelle”, explique le scientifique du SLAC Agostino Marinelli, qui dirige le projet XLEAP. “Cela pourrait donner un aperçu de nombreux phénomènes de mécanique quantique importants, où les électrons jouent généralement un rôle clé.”

Messagers électroniques

Les impulsions attosecondes sont les impulsions les plus courtes générées par les lasers à rayons X à électrons libres comme le LCLS. La réalisation unique du projet XLEAP a été de créer des impulsions attosecondes à la bonne longueur d’onde pour regarder à l’intérieur des petits atomes les plus importants, tels que le carbone, l’azote et l’oxygène. Comme les caméras avec des vitesses d’obturation ultra-rapides, les impulsions XLEAP peuvent capturer les mouvements d’électrons et d’autres mouvements sur une échelle de temps extrêmement rapide qui ne pouvait pas être résolue auparavant.

Dans cette expérience, les chercheurs ont frappé des molécules d’oxyde nitrique avec une impulsion de rayons X, faisant sortir les électrons de leur position normale et dans un nuage d’électrons hautement excité. Ils ont créé une horloge ultra-rapide avec un laser polarisé circulairement pour mesurer ce qui s’est passé ensuite. Le nuage d’électrons est décomposé en crachant des électrons rapides, qui ont été tourbillonnés par le champ laser avant d’atterrir sur le détecteur. La position dans laquelle les électrons ont atterri sur le détecteur a aidé les chercheurs à comprendre comment le nuage d’électrons changeait. Ils ont vu le nuage se déplacer d’une manière quantique unique en seulement quelques millionièmes de milliardième de seconde. Crédit : Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Lorsque les impulsions de rayons X interagissent avec la matière, elles peuvent propulser certains des électrons du cœur les plus étroitement liés de l’échantillon vers des états hautement énergétiques, appelés états excités par le cœur. Parce qu’ils sont si énergétiques, les états excités par le cœur sont extrêmement instables et se désintègrent généralement très rapidement en libérant de l’énergie sous la forme d’un électron rapide, connu sous le nom d’électron Auger-Meitner. Ce phénomène a été historiquement connu sous le nom de désintégration Auger, mais récemment, les scientifiques ont choisi d’ajouter le nom de Lise Meitner, qui a observé le phénomène pour la première fois, en reconnaissance de ses nombreuses contributions à la physique atomique moderne.

Dans leur étude, les chercheurs ont réglé avec précision la longueur d’onde des rayons X du LCLS pour créer un état quantique de la matière appelé superposition cohérente, une manifestation de la nature ondulatoire de la matière. Semblable au chat de Schrödinger, qui s’est retrouvé mort et vivant en même temps, les électrons excités étaient simultanément dans différents états excités par le noyau. Cela signifiait qu’ils étaient en orbite autour de la molécule le long de différentes trajectoires en même temps.

Pour suivre comment cette superposition cohérente d’états excités par le cœur s’est déroulée au fil du temps, les chercheurs ont créé une horloge ultra-rapide appelée “attoclock”, où un champ électrique à rotation rapide provenant d’une impulsion laser à polarisation circulaire agit comme l’aiguille de l’horloge. Les électrons Auger-Meitner libérés lors de la désintégration des états excités du cœur ont été tourbillonnés par l’impulsion laser à polarisation circulaire avant d’atterrir sur le détecteur. La position dans laquelle un électron atterrissait sur le détecteur indiquait aux chercheurs l’heure à laquelle il avait été éjecté de la molécule. En mesurant les temps d’éjection de nombreux électrons Auger-Meitner, les chercheurs ont pu se faire une idée de l’évolution de l’état de superposition cohérente avec une résolution temporelle de quelques centaines d’attosecondes.

“C’est la première fois que nous sommes en mesure de suivre ce phénomène particulier et de mesurer directement le taux d’émission d’électrons”, déclare Siqi Li, scientifique et auteur principal du SLAC. “Notre technique va au-delà du simple fait de voir le processus se produire et nous permet d’espionner le comportement complexe des électrons se produisant dans la molécule en quelques millionièmes de milliardième de seconde. Cela nous donne une très belle façon de regarder à l’intérieur de la molécule et de voir ce qui se passe sur une échelle de temps très rapide. »

Capacité de classe mondiale

Pour donner suite à cette expérience, les chercheurs travaillent sur de nouvelles mesures de comportements quantiques plus complexes.

“Dans cette expérience, nous examinons le comportement électronique d’un modèle très simple que vous pouvez presque résoudre avec un crayon et du papier”, explique Taran Driver, scientifique du SLAC et co-auteur principal. “Maintenant que nous avons montré que nous pouvons effectuer ces mesures ultrarapides, la prochaine étape consiste à examiner des phénomènes plus complexes que les théories ne sont pas encore capables de décrire avec précision.”

La possibilité d’effectuer des mesures sur des échelles de temps de plus en plus rapides est passionnante, dit Cryan, car les premières choses qui se produisent dans une réaction chimique pourraient détenir la clé pour comprendre ce qui se passe plus tard.

“Cette recherche est la première application résolue dans le temps de ces impulsions de rayons X ultracourtes, nous rapprochant de faire des choses vraiment cool comme regarder les phénomènes quantiques évoluer en temps réel”, dit-il. “Il a la promesse de devenir une capacité de classe mondiale qui intéressera de nombreuses personnes dans les années à venir.”

LCLS est une installation utilisateur du DOE Office of Science. Cette recherche fait partie d’une collaboration entre des chercheurs du SLAC, de l’Université de Stanford,[{” attribute=””>Imperial College London and other institutions. It was supported by the Office of Science.

Reference: “Attosecond coherent electron motion in Auger-Meitner decay” by Siqi Li, Taran Driver, Philipp Rosenberger, Elio G. Champenois, Joseph Duris, Andre Al-Haddad, Vitali Averbukh, Jonathan C. T. Barnard, Nora Berrah, Christoph Bostedt, Philip H. Bucksbaum, Ryan N. Coffee, Louis F. DiMauro, Li Fang, Douglas Garratt, Averell Gatton, Zhaoheng Guo, Gregor Hartmann, Daniel Haxton, Wolfram Helml, Zhirong Huang, Aaron C. LaForge, Andrei Kamalov, Jonas Knurr, Ming-Fu Lin, Alberto A. Lutman, James P. MacArthur, Jon P. Marangos, Megan Nantel, Adi Natan, Razib Obaid, Jordan T. O’Neal, Niranjan H. Shivaram, Aviad Schori, Peter Walter, Anna Li Wang, Thomas J. A. Wolf, Zhen Zhang, Matthias F. Kling, Agostino Marinelli and James P. Cryan, 6 January 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abj2096