Une équipe dirigée par le SLAC a inventé une méthode, appelée XLEAP, qui génère de puissantes impulsions laser à rayons X de faible énergie d’une durée de seulement 280 attosecondes, soit des milliardièmes de milliardième de seconde, et qui peut révéler pour la première fois les mouvements les plus rapides des électrons qui régissent la chimie. Cette illustration montre comment les scientifiques utilisent une série d’aimants pour transformer un paquet d’électrons (forme bleue à gauche) à la source de lumière cohérente Linac du SLAC en une pointe de courant étroite (forme bleue à droite), qui produit ensuite un flash de rayons X très intense d’une attoseconde (jaune). Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
D’une durée inférieure à un millionième de milliardième de seconde, les impulsions de rayons X attoseconde permettent aux chercheurs de scruter l’intérieur des molécules et de suivre les électrons qui se déplacent et finissent par déclencher des réactions chimiques.
En 2018, des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie ont mis au point une méthode permettant de générer des salves de rayons X laser d’une durée de plusieurs centaines d’attosecondes (ou milliardièmes de milliardièmes de seconde). Cette technique, connue sous le nom de XLEAP (X-ray laser-enhanced attosecond pulse generation), permet aux chercheurs d’étudier comment les électrons qui courent autour des molécules initient des processus clés en biologie, chimie, science des matériaux et autres domaines.
“Le mouvement des électrons est un processus important par lequel la nature peut déplacer l’énergie”, explique James Cryan, scientifique au SLAC. “Une charge est créée dans une partie d’une molécule et elle est transférée à une autre partie de la molécule, ce qui peut déclencher une réaction chimique. C’est une pièce importante du puzzle quand on commence à penser aux dispositifs photovoltaïques pour la photosynthèse artificielle, ou au transfert de charge à l’intérieur d’une molécule.”
Aujourd’hui, des chercheurs du Linac Coherent Light Source (LCLS) de SLAC ont secoué les électrons d’une molécule à l’aide d’impulsions attosecondes pour créer un état quantique excité et mesurer le comportement des électrons dans cet état avec des détails jamais vus auparavant. Ces résultats ont été récemment publiés dans la revue Science.
“XLEAP nous permet de pénétrer au cœur des molécules et de suivre le mouvement des électrons sur son échelle de temps naturelle”, explique Agostino Marinelli, scientifique au SLAC, qui dirige le projet XLEAP. “Cela pourrait permettre de mieux comprendre de nombreux phénomènes importants de mécanique quantique, où les électrons jouent généralement un rôle clé.”
Les messagers électroniques
Les impulsions attosecondes sont les impulsions les plus courtes générées par les lasers à électrons libres à rayons X comme le LCLS. La réussite unique du projet XLEAP a été de produire des impulsions attosecondes à la bonne longueur d’onde pour observer l’intérieur des petits atomes les plus importants, comme le carbone, l’azote et l’oxygène. À l’instar des appareils photo dotés d’un obturateur ultrarapide, les impulsions XLEAP peuvent capturer les mouvements des électrons et d’autres mouvements sur une échelle de temps extrêmement rapide qui ne pouvait être résolue auparavant.
Dans cette expérience, les chercheurs ont frappé des molécules d’oxyde nitrique avec une impulsion de rayons X, faisant sortir les électrons de leur position normale et les plaçant dans un nuage d’électrons hautement excités. Ils ont créé une horloge ultrarapide avec un laser à polarisation circulaire pour mesurer ce qui s’est passé ensuite. Le nuage d’électrons s’est désintégré en crachant des électrons rapides, qui ont tourbillonné dans le champ laser avant d’atterrir sur le détecteur. La position dans laquelle les électrons atterrissaient sur le détecteur a aidé les chercheurs à comprendre comment le nuage d’électrons évoluait. Ils ont vu le nuage se déplacer d’une manière quantique unique en l’espace de quelques millionièmes de milliardième de seconde seulement. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Lorsque les impulsions de rayons X interagissent avec la matière, elles peuvent faire passer certains des électrons du noyau les plus étroitement liés de l’échantillon à des états hautement énergétiques, appelés états excités du noyau. En raison de leur énergie, les états excités du noyau sont extrêmement instables et se désintègrent généralement très rapidement en libérant de l’énergie sous la forme d’un électron rapide, appelé électron d’Auger-Meitner. Ce phénomène a toujours été connu sous le nom de désintégration d’Auger, mais récemment, les scientifiques ont choisi d’ajouter le nom de Lise Meitner, qui a été la première à observer le phénomène, en reconnaissance de ses vastes contributions à la physique atomique moderne.
Dans leur étude, les chercheurs ont réglé avec précision la longueur d’onde des rayons X du LCLS pour créer un état quantique de la matière appelé superposition cohérente, une manifestation de la nature ondulatoire de la matière. À l’instar du chat de Schrödinger, qui se trouvait à la fois mort et vivant, les électrons excités se trouvaient simultanément dans différents états d’excitation du noyau. Cela signifie qu’ilsorbitaient autour de la molécule le long de trajectoires différentes au même moment.
Pour suivre le déroulement de cette superposition cohérente d’états excités par le noyau au fil du temps, les chercheurs ont créé une horloge ultrarapide connue sous le nom d'”attoclock”, où un champ électrique en rotation rapide provenant d’une impulsion laser à polarisation circulaire fait office d’aiguille d’horloge. Les électrons Auger-Meitner libérés lors de la désintégration des états excités par le noyau ont tourbillonné autour de l’impulsion laser à polarisation circulaire avant d’atterrir sur le détecteur. La position dans laquelle un électron atterrit sur le détecteur indique aux chercheurs l’heure à laquelle il a été éjecté de la molécule. En mesurant les temps d’éjection de nombreux électrons Auger-Meitner, les chercheurs ont pu se faire une idée de l’évolution de l’état de superposition cohérent avec une résolution temporelle de quelques centaines d’attosecondes seulement.
“C’est la première fois que nous sommes en mesure de suivre ce phénomène particulier et de mesurer directement le taux d’émission des électrons”, explique Siqi Li, scientifique au SLAC et auteur principal. “Notre technique va au-delà de la simple observation du processus et nous permet d’espionner le comportement complexe des électrons dans la molécule en quelques millionièmes de milliardième de seconde. Cela nous donne un moyen vraiment agréable de regarder à l’intérieur de la molécule et de voir ce qui se passe sur une échelle de temps très rapide.”
Une capacité de premier plan au niveau mondial
Pour donner suite à cette expérience, les chercheurs travaillent sur de nouvelles mesures de comportements quantiques plus complexes.
“Dans cette expérience, nous examinons le comportement électronique d’un modèle très simple que vous pouvez presque résoudre avec un crayon et du papier”, explique Taran Driver, scientifique au SLAC et co-auteur principal. “Maintenant que nous avons montré que nous pouvons effectuer ces mesures ultrarapides, la prochaine étape consiste à examiner des phénomènes plus compliqués que les théories ne sont pas encore en mesure de décrire avec précision.”
La capacité à effectuer des mesures sur des échelles de temps de plus en plus rapides est passionnante, dit Cryan, car les premières choses qui se produisent dans une réaction chimique pourraient détenir la clé pour comprendre ce qui se passe ensuite.
“Cette recherche est la première application résolue dans le temps de ces impulsions de rayons X ultracourts, ce qui nous rapproche un peu plus de la possibilité de faire des choses vraiment cool comme observer l’évolution des phénomènes quantiques en temps réel”, dit-il. “Elle a la promesse de devenir une capacité de premier plan au niveau mondial à laquelle de nombreuses personnes s’intéresseront dans les années à venir.”
Le LCLS est une installation d’utilisateur du DOE Office of Science. Cette recherche s’inscrit dans le cadre d’une collaboration entre des chercheurs du SLAC, de l’université de Stanford, de Imperial College London and other institutions. It was supported by the Office of Science.
Reference: “Attosecond coherent electron motion in Auger-Meitner decay” by Siqi Li, Taran Driver, Philipp Rosenberger, Elio G. Champenois, Joseph Duris, Andre Al-Haddad, Vitali Averbukh, Jonathan C. T. Barnard, Nora Berrah, Christoph Bostedt, Philip H. Bucksbaum, Ryan N. Coffee, Louis F. DiMauro, Li Fang, Douglas Garratt, Averell Gatton, Zhaoheng Guo, Gregor Hartmann, Daniel Haxton, Wolfram Helml, Zhirong Huang, Aaron C. LaForge, Andrei Kamalov, Jonas Knurr, Ming-Fu Lin, Alberto A. Lutman, James P. MacArthur, Jon P. Marangos, Megan Nantel, Adi Natan, Razib Obaid, Jordan T. O’Neal, Niranjan H. Shivaram, Aviad Schori, Peter Walter, Anna Li Wang, Thomas J. A. Wolf, Zhen Zhang, Matthias F. Kling, Agostino Marinelli and James P. Cryan, 6 January 2022, Science.
DOI: 10.1126/science.abj2096
