La vie ultrabrève d'états électroniques corrélés dans une molécule

Publié par Redbran le 20/11/2020 à 13:00
Source: CNRS INP
Grâce à des impulsions ultracourtes et ultrastables de rayonnement ultraviolet extrême (UVX), des physiciennes et des physiciens ont pour la première fois étudié expérimentalement la dynamique d'états excités éphémères pour lesquels une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) isolée se comporte comme un solide en raison de forts effets de corrélation électronique. Ils ont montré que la durée de vie (La vie est le nom donné :) de ces états, dans le domaine des femtosecondes, suivait une loi générale étonnamment simple.

L'irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...) de molécules avec de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) dont l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) est dans le domaine du visible ou de l'UV excite le mouvement des électrons les plus externes et les moins liés, les électrons dits de valence. Par couplage entre électrons et noyaux, elle peut également exciter le mouvement des noyaux. L'irradiation à des énergies plus grandes, vers celles des rayons X (domaine de l'UV extrême, UVX), conduit à l'excitation d'électrons plus profonds et plus liés, les électrons dits de valence interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...), et à l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une...) de la molécule. Pour des énergies de photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) supérieures à une quinzaine d'eV, l'excitation devient multiélectronique en raison de l'existence de couplage fort entre les électrons, leurs mouvements devenant corrélés. Ces effets sont connus et analysés depuis plusieurs décades en spectroscopie moléculaire, notamment à l'aide du rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs...), mais qu'en est-il de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) de ces excitations UVX ? Jusqu'à présent, ces dynamiques électroniques ont pu être sondées à l'échelle femtoseconde grâce aux lasers à impulsions ultracourtes UVX mais uniquement sur de petites molécules avec peu d'électrons.

Les physiciennes et physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) lumière matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) (ILM, CNRS/Univ. Lyon 1), en collaboration avec des théoriciens de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Heidelberg (Heidelberg est une ville d'Allemagne située dans la vallée du Neckar, au nord-ouest du...) et des astrophysiciens de l'Université de Leyde (L'université de Leyde (en néerlandais, Universiteit Leiden, UL) est la plus ancienne des...), ont choisi d'étudier des molécules bien plus complexes mettant en jeu plusieurs dizaines voire centaines d'électrons. Grâce à l'étude systématique (En sciences de la vie et en histoire naturelle, la systématique est la science qui a pour...) d'une série de molécules similaires de tailles variées, des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP, voir figure), les scientifiques ont mis en évidence un comportement universel, régi par le couplage entre les électrons et les modes de vibration, et obéissant à des lois similaires à celles de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) du solide en raison du très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'états électroniques corrélés. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature Physics.

Dans les expériences, une première impulsion UVX (23 eV, 54 nm) d'une durée de 20 fs excite un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) de valence interne et ionise la molécule. L'état de la molécule est sondé par une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui...) impulsion infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) (800 nm) de 25 fs qui produit des ions doublement ionisés dont on mesure le nombre en fonction du délai (Un délai est d'après le Wiktionnaire, « un temps accordé pour faire une...) entre les deux impulsions. On a ainsi accès à la durée de vie de l'excitation électronique initiale. Réaliser ces expériences sur des molécules complexes est un défi notamment en raison du très faible signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) attendu. Ce sont les performances du dispositif lyonnais en termes de stabilité qui permettent d'obtenir un rapport signal/bruit suffisant. En étudiant cette durée de vie pour des HAP comportant de 1 à 13 cycles aromatiques et de 10 à 200 électrons de valence, les chercheurs et chercheuses ont trouvé qu'elle variait entre 10 et 70 fs et qu'elle suivait une loi simple, analogue à la règle d'or de Fermi de la physique du solide. Cette loi fait intervenir l'énergie moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...) des modes de vibration de la molécule et la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) des états électroniques corrélés. C'est le fait que cette densité d'états corrélés soit très élevée qui explique l'analogie avec le solide, le couplage entre les électrons et les modes de vibration moléculaires agissant de façon analogue au couplage électron-phonon dans les solides.

De façon générale, le comportement mis en évidence est universel et devrait s'étendre à tous les systèmes moléculaires à grand nombre d'électrons. La connaissance de ces processus est un nouvel outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) pour mieux comprendre la dynamique de milieux fortement excités, comme dans le cas des HAP dont la présence dans le milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...) est influencée par des rayonnements énergétiques. Au-delà de ce comportement universel, l'équipe prévoit d'étudier comment la cohérence électronique peut survivre à l'échelle de quelques femtosecondes dans de tels systèmes complexes très excités.


Absorption de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...) UVX dans une molécule, ici le HBC, (hexabenzocoronene, 13 cycles aromatiques, 42 atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) en noir et 18 atomes d'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) en blanc).
En haut, dessin évoquant l'impulsion ultracourte ionisant la molécule et créant un état très excité et, au sein de la molécule, les effets de corrélations électroniques et les couplages en jeu pendant la durée de vie de l'état excité.
En bas, schéma en énergie montrant que l'excitation est composée d'un quasi-continuum d'états corrélés. Les états sont représentés par des barres à gauche et par leur densité (DOS), qui est linéaire, est à droite. Les processus de relaxation de la molécule se décrivent alors comme pour un solide le temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de quelques dizaines de femtosecondes (60 fs pour le HBC).

Référence:
Ultrafast dynamics of correlation bands following XUV molecular photoionization. M. Hervé, V. Despré, P. Castellanos Nash, V. Loriot, A. Boyer, A. Scognamiglio, G. Karras, R. Brédy, É. Constant, A.Tielens, A. Kuleff et F. Lépine, Nature Physics, le 16 novembre 2020.
DOI: 10.1038/s41567-020-01073-3

Contact:
- Franck Lépine - Directeur de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut lumière matière - franck.lepine at univ-lyon1.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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