Découverte d'un phénomène de dissociation ultrarapide de la lumière
Publié par Redbran le 06/07/2016 à 00:00
Source: SOLEIL Synchrotron
Phénomène de dissociation ultrarapide induit par les rayons X durs: un “MUST”

La lumière interagit avec la matière de multiples façons. La lumière peut être absorbée, émise, réfléchie, diffusée. Elle peut réchauffer ou refroidir, détruire ou guérir. Des lumières, ou rayonnements électromagnétiques, possédant diverses caractéristiques spécifiques sont souvent utilisées en recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) pour tenter de comprendre les lois de la Nature, telles que les propriétés de la 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 l'espace et...), sa structure, sa formation ou sa dégradation. L'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) apportée par la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à...) absorbée peut provoquer l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus neutre électriquement. Il est alors appelé ion.) de la matière, ou son passage à des états excités transitoires instables. Le retour à l'état stable, par des phénomènes de relaxation, libère alors l'excès d'énergie (en une ou plusieurs étapes) sous de nombreuses formes: émission de photons et/ou d'électrons, souvent accompagnée de déformations structurelles, telles que des changements dans les longueurs de liaison, la torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans des plans parallèles.) et la rotation des angles de liaison, l'isomérisation ou même la rupture (Ruptures est le second album de la série de science-fiction Orbital constituée de diptyques, dessiné par Serge Pellé et écrit par Sylvain Runberg,...) de liaisons.

Habituellement, les déformations structurelles sont assez lentes et se déroulent sur des échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) beaucoup plus longues que l'émission d'électrons ou de photons. Cependant, en utilisant notamment les rayons X mous, des états hautement excités peuvent être atteints ; ils possèdent un très fort caractère dissociatif et, dans ce cas, les échelles de temps de la désintégration électronique peuvent correspondre à celles des mouvements du noyau. L'énergie des rayons X mous correspond typiquement à l'énergie des électrons des couches de cœur peu profondes ; ceux-ci sont alors ionisés par les RX ou passent sur des couches de valence inoccupées. Les durées de vie (La vie est le nom donné :) de ces états de "trou de cœur" sont de l'ordre de quelques femtosecondes (1 fs = 10^-15 s), ce qui peut être suffisant pour que des noyaux légers (atomes H, O ; molécules OH-, CH3-, NH2-) se déplacent suffisamment loin du reste 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...) pour conduire à la rupture complète de la liaison chimique. Les rayons X durs, d'énergie plus élevée, peuvent quant à eux agir sur des électrons présents dans des couches plus profondes. La durée de vie de ces états "trou de cœur profond" est de l'ordre de 1 fs seulement, voire moins. Les mouvements nucléaires qui se produisent sont alors très faibles et nettement insuffisants pour provoquer une dissociation.

Des chercheurs du LCPMR (CNRS-UPMC), de la Freie University en Allemagne, de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) d'Uppsala en Suède, du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules élémentaires.) UVSOR au Japon et de SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est...) ont montré que la création de trous de cœur profonds, induite par les rayons X durs, peut également conduire à d'importantes dynamiques nucléaires et des ruptures de liaisons sur une échelle de temps de quelques fs (~ 10 fs). Ces phénomènes ne se produisent pas au stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et...) du trou de cœur profond lui-même, mais au cours de la cascade de désexcitations qui suit. En outre, les dynamiques qui se produisent dans l'état de cœur excité initialement créé, bien que peu étendues, sont cruciales pour la fragmentation résultante car l'atome (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...) acquiert l'élan qui lui permet de s'éloigner de ses voisins, gagnant ainsi la vitesse (On distingue :), ce qui augmente le taux de dissociation dans la cascade qui suit. Un état dissociatif de "trou de cœur profond" d'une durée de vie 1 fs va créer l'impulsion nécessaire à initier l'effet domino d'allongement de liaison pour les cascades de réactions qui suivront, conduisant à une importante dissociation sur une échelle de temps de l'ordre de la fs.

Les mesures ont été réalisées sur des molécules isolées de HCl (Acide chlorhydrique, numéro CAS 7647-01-0 Chlorure d'hydrogène, numéro CAS 7647-01-0), grâce à la station expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit...) de spectroscopie de photoélectrons X de la ligne de lumière GALAXIES (Galaxies est une revue française trimestrielle consacrée à la science-fiction. Avec ce titre elle a connu deux existences, prenant par ailleurs la suite de deux autres Galaxie, cette fois...), à SOLEIL. Actuellement, cet équipement est le seul à permettre de telles mesures en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) gazeuse, en combinant la haute brillance de la source de rayons X durs et le spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de masse — en ses...) d'électrons à haute résolution équipé d'une cellule de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz...) nécessaires à ces expériences. Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) expérimentales ont été appuyées par la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...), en collaboration avec les groupes de l'Université d'Oulu (Finlande) et du LCPMR, Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents...) (France).

Le phénomène découvert - appelé MUST UFD (MultiStep UltraFast Dissociation) - doit être un phénomène assez général. Notamment, des états de doubles trous de cœur, et de trou de cœur unique à charges multiples, sont communément produits au cours de la désexcitation en cascade. Ils peuvent être encore plus dissociatifs que les états de trou de cœur uniques excités neutres. Dans le cas de molécules contenant des atomes de la troisième période ou en-dessous, liés à des atomes légers ou par des liaisons faibles, on peut s'attendre à ce que l'absorption des rayons X (La spectrométrie d'absorption des rayons X aide à déterminer la structure d'un matériau. Elle a l'avantage d'être sélective quant à l'espèce atomique observée.) durs s'accompagne de significatifs déplacements des noyaux par rapport à leur géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le XVIIIe siècle, les figures d'autres types d'espaces (géométrie...) d'équilibre, dans une échelle de temps de quelques fs.


Figure: Illustration du processus de désexcitation en cascade dû à la relaxation de l'état de cœur profond excité (sigma Cl 1s-> *) de HCl, après absorption de rayons X durs. Les courbes d'énergie potentielle pour l'état de "trou de cœur profond" initialement créé, ainsi que pour les états intermédiaires, sont hautement dissociatives. L'allongement de la liaison H-Cl a lieu à chaque étape du processus de désexcitation en cascade, conduisant à une fragmentation ultrarapide sur une échelle de quelques femtosecondes.
La figure montre qu'une partie de l'énergie est libérée à chaque transition sous forme d'émission d'un 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.) (représenté par un poisson), et de ce fait la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à...) des états intermédiaires augmente au fur (Fur est une petite île danoise dans le Limfjord. Fur compte environ 900 hab. . L'île couvre une superficie de 22 km². Elle est...) et à mesure de la relaxation. Les pics de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) représentent les populations des différents états, chaque couleur correspondant au temps écoulé après l'absorption d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) RX dur, soit de 1 à 8 fs par incrément de 1 fs.

Ces résultats pourraient être d'une grande importance dans le domaine de la radiobiologie et avoir des implications directes dans l'interprétation de l'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis...) par rayons X d'objets biologiques.

Pour plus d'information voir:
Travnikova, O., Marchenko, T., Goldsztejn, G., Jänkälä, K., Sisourat, N., Carniato, S., Guillemin, R., Journel, L., Céolin, D., Püttner, R., Iwayama, H., Shigemasa, E., Piancastelli, M. N. and Simon, M.
Hard-X-Ray-Induced Multistep Ultrafast Dissociation.
Physical Review Letters, 2016, 116 (21): art.n° 213001

Contact chercheur:
Oksana Travnikova UPMC
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