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Posté par Michel le Lundi 01/03/2010 à 00:00
Première "photographie" d'électrons en mouvement dans une molécule
La première "photographie instantanée" d'électrons en mouvement au coeur d'une molécule vient d'être obtenue par des équipes du CEA (1), du CNRS et de l'Université Pierre et Marie Curie (2). Cette photographie par rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) X a été obtenue en couplant une résolution temporelle extrêmement élevée, à l'échelle de l'attoseconde (3), à une résolution spatiale très fine (de l'ordre de l'Angström (Un ångström ou angström (symbole Å) est une unité de mesure en physique atomique qui n'appartient pas au système international (SI). Il est utilisé pour les longueurs d'ondes de...) (4)). Ce résultat fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) d'une publication dans la revue Nature Physics du 1er mars.

A l'échelle microscopique, la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) quantique interdit de mesurer simultanément et de façon précise la position et la vitesse (On distingue :) d'une particule (c'est le fameux principe d'incertitude d'Heisenberg). De plus, à cette échelle, toute mesure vient perturber le système et le fige dans un état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il est représenté par un objet mathématique qui donne le maximum d'information possible sur le...) qui était indéterminé avant la mesure. Les mesures que l'on effectue
sur la vitesse, la position ou toute autre grandeur physique (Une grandeur physique est un ensemble d'unités de mesure, de variables, d'ordres de grandeur et de méthodes de mesure (qui sont l'objet de la métrologie) lié à un aspect ou phénomène...) de particules subatomiques n'expriment donc pas des certitudes, mais seulement des probabilités.

La modélisation de ces mesures probabilistes pour décrire les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) et les molécules reposent directement sur la notion de fonctions d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter...) appelées "orbitales" dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent. Le concept de contexte issu traditionnellement de...), qui d'un point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) formel, ne sont que des intermédiaires mathématiques.

Ce qui a donné lieu à de nombreuses discussions autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de la question suivante: les fonctions d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière. Une...) sont-elles observables ou ne sont-elles qu'un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions...) mathématique (Les mathématiques constituent un domaine de connaissances abstraites construites à l'aide de raisonnements logiques sur des concepts tels que les nombres, les figures, les structures et les transformations. Les mathématiques...) ? Un pas a été franchi en 2004 lorsqu'une équipe canadienne a proposé un moyen de visualiser une orbitale moléculaire (5) à partir de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire,...) expérimentales. La méthode repose sur une analyse tomographique du rayonnement X émis par des molécules excitées par une impulsion laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) intense.

Pour la première fois, une telle reconstruction vient d'être réalisée par une collaboration réunissant le groupe de théoriciens animé par Richard Taïeb (LCPMR, UPMC/CNRS) et le groupe d'expérimentateurs piloté par Pascal Salières (CEA/Iramis). Spécialisées dans la caractérisation, le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) et l'exploitation du rayonnement X attoseconde généré en champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) laser intense, ces équipes sont parvenues à créer les conditions permettant de reconstruire simultanément les deux orbitales les plus externes de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) de diazote N2.

Tirant bénéfice du caractère ultrabref de l'émission X, ces chercheurs ont obtenu un "instantané" de la fonction d'onde des électrons de la molécule excitée par le laser, 1500±300 attosecondes (as) après sa mise en mouvement. Ces nouveaux résultats montrent que, dans certaines conditions, les fonctions d'ondes sont observables.

Il est dorénavant possible de suivre la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) ultra-rapide des électrons dans les molécules, en combinant une résolution spatiale de l'ordre de l'Angström et une résolution temporelle attoseconde. On peut ainsi espérer réaliser des "films" expérimentaux montrant des orbitales moléculaires se réarrangeant à diverses étapes de réactions chimiques.


Pour en savoir plus:

- S. Hässler et al., "Attosecond imaging of molecular electronic wavepackets", Nature Physics, 1er mars 2010
- Le Site IRAMIS.

Notes:

(1) CEA-Iramis (Institut Rayonnement Matière).

(2) Laboratoire de Chimie Physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des procédés. En particulier, la description énergétique des diverses transformations fait partie de la chimie physique. On y trouve des disciplines...) - Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) et Rayonnement (UPMC/CNRS).

(3) L'attoseconde (10-18 seconde) équivaut à un milliardième de milliardième de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde d'arc est une...). C'est l'échelle de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) caractéristique du mouvement des électrons dans les atomes et molécules, et la limite actuelle des temps mesurables expérimentalement. Mille fois plus longue, la femtoseconde (10-15 seconde) est l'échelle de temps caractéristique du mouvement des atomes dans les molécules.

(4) 10-10 mètres.

(5) Une orbitale moléculaire décrit la distribution spatiale de la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande...) de présence de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) impliqué dans une liaison chimique. Bien souvent, la réactivité des molécules peut être directement interprétée par le biais des orbitales moléculaires et de leurs géométries.


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Source: CNRS
Illustration: IRAMIS
 
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