Les physiciens viennent de capturer la toute première séquence de la rotation spectaculaire d’une molécule
Imaginez que vous essayez de filmer un événement qui s’est terminé en 125 trillionièmes de seconde à peine. Les physiciens moléculaires en rêvent depuis longtemps et semblent enfin avoir atteint leur objectif.
En utilisant des impulsions de lumière laser accordées avec précision, une équipe internationale de scientifiques de quatre institutions différentes a réussi à filmer la rotation ultra-rapide d’une molécule.
“Nous avons enregistré un film moléculaire à haute résolution de la rotation ultra-rapide du sulfure de carbonyle en tant que projet pilote”, a déclaré le physicien moléculaire Evangelos Karamatskos de DESY, le plus grand centre accélérateur d’Allemagne.
“Le niveau de détail que nous avons pu atteindre indique que notre méthode pourrait être utilisée pour produire des films instructifs sur la dynamique d’autres processus et molécules.”
Ensemble, la vidéo ci-dessous représente 651 images, assemblées séquentiellement pour couvrir une rotation et demie de la molécule de sulfure de carbonyle. Le produit final est un film de 125 picosecondes de la molécule, ralenti pour votre plaisir.
Sa beauté est indéniable, mais les images sont encore plus magnifiques lorsque l’on comprend ce que l’on regarde précisément.
Lorsqu’une substance est à l’état gazeux, les molécules sont relativement éloignées les unes des autres et donc libres de subir une rotation autour de leurs axes. Cette rotation est soumise aux règles de la mécanique quantique.
En tant que gaz sulfureux simple et commun, le sulfure de carbonyle en forme de tige – dont les molécules se composent d’un atome d’oxygène, d’un atome de carbone et d’un atome de soufre, constitue donc le modèle idéal.
Mais le chef de l’équipe de recherche, le physicien Jochen Küpper, dit qu’il ne faut pas penser que cette molécule tourne comme un bâton.
“Les processus que nous observons ici sont régis par la mécanique quantique. À cette échelle, les très petits objets comme les atomes et les molécules se comportent différemment des objets du quotidien dans notre environnement”, explique M. Küpper, qui travaille à l’Université de Hambourg et à DESY.
“La position et le dynamisme d’une molécule ne peuvent pas être déterminés simultanément avec la plus grande précision ; vous ne pouvez définir qu’une certaine probabilité de trouver la molécule à un endroit précis à un moment donné.”
Même lorsque la molécule pointe dans plusieurs directions en même temps, chacune d’entre elles a une probabilité différente selon la mécanique quantique.
“Ce sont précisément ces directions et ces probabilités que nous avons imaginées expérimentalement dans cette étude”, explique Arnaud Rouzée, chercheur moléculaire à l’Institut Max Born à Berlin.
“Du fait que ces images individuelles commencent à se répéter après environ 82 picosecondes, on peut déduire la période de rotation d’une molécule de sulfure de carbonyle.”
(Evangelos Karamatskos/DESY)
Pour faire bouger les molécules de gaz à l’unisson, l’équipe a d’abord utilisé deux impulsions de lumière laser infrarouge, précisément accordées l’une à l’autre de sorte qu’elles émettent des impulsions toutes les 38 trillionièmes de seconde (picosecondes).
L’étape suivante comprenait ensuite une autre impulsion laser d’une longueur d’onde plus longue, qui était utilisée pour déterminer la position des molécules à des intervalles d’environ 0,2 trillionième de seconde.
L’ensemble du processus a été laborieux, car cette dernière impulsion détruit les molécules. Chaque cliché représente donc une toute nouvelle expérience qui repart à zéro.
(Evangelos Karamatskos/DESY)
Les auteurs espèrent que leur nouvelle technique pourra nous aider à étudier d’autres molécules et processus, comme la torsion interne qui se produit dans les molécules ou les composés chiraux, qui sont des composés qui existent sous deux formes, chacune une image miroir de l’autre.
“De plus, le très haut degré d’alignement sans champ obtenu ici serait extrêmement utile pour les études de stéréochimie ainsi que pour les expériences d’imagerie à image moléculaire”, conclut l’équipe dans son étude.
La recherche a été publiée dans Nature Communications.
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Source : ScienceAlert – Traduit par Anguille sous roche
