La science ultrarapide est l’étude des processus dans les atomes, les molécules ou les matériaux à une échelle de temps très courte. femtoseconde ou plus rapide. Une femtoseconde correspond à un millionième de milliardième de seconde, ou 10-15 secondes.
La science ultrarapide est l’étude des processus dans les atomes, les molécules ou les matériaux qui se produisent en millionièmes de milliardième de seconde ou plus rapidement. Cette échelle de temps est appelée femtosecondes, ce qui équivaut à 10-15 secondes. Dans la science ultrarapide, les chercheurs utilisent de courtes impulsions de photons, d’électrons et d’ions pour sonder la matière. Les impulsions de rayons X de l’ordre de la femtoseconde peuvent produire des images d’arrêt sur image de la façon dont les atomes se déplacent pendant les transformations moléculaires ou vibrent sur les surfaces de films minces. Cette échelle de temps permet aux scientifiques d’étudier les détails de l’évolution dans le temps des processus fondamentaux de la vie. Par exemple, ils peuvent étudier comment les liaisons chimiques se forment et se brisent et comment les électrons excités remodèlent le paysage énergétique des transformations des matériaux.
Les outils les plus récents peuvent produire des impulsions d’une durée de plusieurs centaines d’euros. attosecondes (10-18 secondes). Ces impulsions encore plus rapides permettent aux scientifiques de suivre le mouvement des électrons lorsqu’ils sont excités dans des réactions chimiques.
Pour la première fois, les scientifiques ont suivi les changements structurels ultrarapides des molécules de gaz en forme d’anneau qui s’effilochent après avoir été ouvertes par la lumière. Les mesures ont été compilées en séquence pour servir de base à des animations informatiques montrant le mouvement des molécules. Crédit : Vidéo fournie par le SLAC National Accelerator Laboratory.
Les expériences scientifiques ultrarapides nous permettent de mieux comprendre comment les structures atomiques, électroniques et magnétiques se déplacent et changent sur des échelles de temps fondamentales. Elles nous aident également à relier ces résultats aux propriétés des matériaux et des produits chimiques. Les scientifiques qui étudient ces phénomènes acquièrent de nouvelles connaissances sur la façon de concevoir des matériaux dotés de nouvelles propriétés et de processus chimiques plus efficaces.
Faits concernant la science ultrarapide
- Le développement des lasers à électrons libres à rayons X est une percée dans la science ultrarapide.
- Ahmed Zewail a reçu le prix Nobel de chimie en 1999 pour avoir inventé la “femtochimie”.
- En une femtoseconde, la lumière ne parcourt que 300 nanomètres, une distance comparable à la taille d’un virus.
- Une femtoseconde est à une seconde ce qu’une seconde est à 30 millions d’années.
- À ce jour, les impulsions laser à rayons X les plus courtes délivrées par le LCLS durent 5 femtosecondes, soit à peu près le temps que met une molécule pour perdre un électron.
- La plupart des expériences ultrarapides font appel à la capacité d’impulsion à temps étroit des lasers optiques. Ces impulsions laser peuvent ensuite être converties en d’autres types d’impulsions. Le résultat est que les chercheurs peuvent adapter les expériences en choisissant des impulsions à partir d’une sélection d’énergie de rayonnement électromagnétique (y compris les rayons X), et de particules telles que les électrons.
- La forme la plus courante d’expérience ultrarapide implique une impulsion de “pompe” pour exciter le matériau à étudier et, après un délai ultra-court, une impulsion de “sonde” pour mesurer une caractéristique de l’échantillon. Les scientifiques font varier le délai et mesurent l’historique de l’état excité lorsque le système revient à l’équilibre. La pompe et la sonde peuvent être des impulsions de types différents, selon le type d’excitation souhaité et le type de propriété à mesurer.
DOE Office of Science : Contributions à la science ultrarapide
L’Office of Science du DOE, Office of Basic Energy Sciences (BES), investit dans la recherche fondamentale et les installations des utilisateurs pour la science ultrarapide. Cette recherche comprend des études fondamentales sur les changements dans la structure électronique des matériaux et le flux d’énergie dans les nouveaux matériaux et systèmes chimiques. Le Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC National Accelerator Laboratory est une installation de premier plan pour la recherche en science ultrarapide. Le LCLS a été le premier laser à électrons libres à rayons X durs au monde. Il utilise de puissants éclairs de rayons X – chacun aussi bref que 5 femtosecondes et un milliard de fois plus lumineux que ceux disponibles auparavant – pour prendre des instantanés atomiques. Le LCLS sera encore plus puissant lorsque SLAC achèvera les travaux sur le LCLS-II modernisé. Les chercheurs associent ces images pour créer des films sur les processus chimiques et physiques. La compréhension de ces mouvements fondamentaux ultrarapides pourrait aider à résoudre certains des mystères du monde naturel et favoriser le développement de matériaux innovants, de solutions énergétiques, de médicaments, etc.
