Des physiciens contrôlent des réactions avec de la lumière laser à l’échelle nanométrique

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A Nanoparticle in the Field of a Femtosecond Laser Pulse With Tailored Waveform and Polarization
Une nanoparticule dans le champ d'une impulsion laser femtoseconde avec une forme d'onde et une polarisation adaptées.

Une nanoparticule dans le champ d’une impulsion laser femtoseconde avec une forme d’onde et une polarisation adaptées. Le renforcement contrôlé du champ dans des régions nanoscopiques spécifiques de la nanoparticule (points jaunes) induit des réactions photochimiques sélectives des molécules adsorbées sur la surface. L’imagerie des fragments moléculaires émis par ces régions permet un contrôle tout-optique des sites de réaction avec une résolution nanométrique. Crédit : RMT.Bergues.

Des physiciens de l’Institut Max Planck d’optique quantique et de la Ludwig-Maximilians-Universität de Munich, en collaboration avec l’Université de Stanford, ont pour la première fois utilisé la lumière laser pour contrôler l’emplacement des réactions induites par la lumière à la surface des nanoparticules.

Le contrôle des champs électromagnétiques puissants sur les nanoparticules est la clé pour déclencher des réactions moléculaires ciblées sur leurs surfaces. Ce contrôle des champs forts est réalisé par la lumière laser. Bien que la formation et la rupture de liaisons moléculaires induites par le laser sur les surfaces des nanoparticules aient été observées dans le passé, le contrôle optique nanoscopique des réactions de surface n’a pas encore été réalisé. Une équipe internationale de scientifiques dirigée par le Dr Boris Bergues et le professeur Matthias Kling de la Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) et de l’Institut Max Planck d’optique quantique (MPQ), en collaboration avec l’université de Stanford, vient de combler cette lacune. Les physiciens ont déterminé pour la première fois l’emplacement des réactions moléculaires induites par la lumière à la surface de nanoparticules isolées de dioxyde de silicium à l’aide d’impulsions laser ultrabrèves.

À la surface des nanoparticules, il y a beaucoup d’activité. Les molécules se fixent, se dissolvent et changent de place. Tout cela entraîne des réactions chimiques, modifie la matière et donne même naissance à de nouveaux matériaux. Les champs électromagnétiques peuvent aider à contrôler les événements dans le nanocosmos. C’est ce que vient de démontrer une équipe de recherche dirigée par le Dr Boris Bergues et le professeur Matthias Kling du groupe Électronique ultrarapide et nanophotonique. À cette fin, les chercheurs ont utilisé de puissantes impulsions laser de l’ordre de la femtoseconde pour générer des champs localisés à la surface de nanoparticules isolées. Une femtoseconde est un millionième de milliardième de seconde, soit 10 %.-15 d’une seconde.

En utilisant ce que l’on appelle la nanoscopie de réaction, une nouvelle technique récemment développée par le même groupe, les physiciens ont été en mesure d’imager le site de réaction et le lieu de naissance des fragments moléculaires à la surface des nanoparticules de silice – avec une résolution meilleure que 20 nanomètres. Le contrôle spatial nanoscopique, réalisable à une résolution encore plus élevée, a été obtenu par les scientifiques en superposant les champs de deux impulsions laser de couleur différente, dont la forme d’onde et la polarisation ont été contrôlées. Ils ont ainsi dû régler le délai entre les deux impulsions avec des attosecondes accuracy. An attosecond is still a thousand times shorter than a femtosecond. When interacting with this tailored light, the surface of the nanoparticles and the molecules adsorbed there were ionized at targeted sites, leading to the dissociation of the molecules into different fragments.

“Molecular surface reactions on nanoparticles play a fundamental role in nanocatalysis. They could be a key to clean energy production, in particular via photocatalytic water splitting,” explains Matthias Kling. “Our results also pave the way for tracking photocatalytic reactions on nanoparticles not only with nanometer spatial resolution, but also with femtosecond temporal resolution. This will provide detailed insights into the surface processes on the natural spatial and temporal scales of their dynamics,” adds Boris Bergues.

The scientists anticipate that this promising new approach can be applied to numerous complex isolated nanostructured materials.

Reference: “All-optical nanoscopic spatial control of molecular reaction yields on nanoparticles” by Wenbin Zhang, Ritika Dagar, Philipp Rosenberger, Ana Sousa-Castillo, Marcel Neuhaus, Weiwei Li, Sharjeel A. Khan, Ali S. Alnaser, Emiliano Cortes, Stefan A. Maier, Cesar Costa-Vera, Matthias F. Kling and Boris Bergues, 16 May 2022, Optica.
DOI: 10.1364/OPTICA.453915

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