Mesure attoseconde sur les électrons dans les clusters d'eau

Pratiquement tous les processus chimiques vitaux se déroulent dans des solutions aqueuses. Dans ces processus, un rôle décisif est joué par les électrons qui sont échangés entre différents atomes et molécules et qui, par exemple, créent ou rompent des liaisons chimiques. Il est toutefois difficile d'étudier en détail comment cela se produit, car ces électrons se déplacent très rapidement. Une équipe de recherche de l'ETH Zurich dirigée par Hans Jakob Wörner, professeur de chimie physique, en collaboration avec des collègues du Lawrence Berkeley National Laboratory (USA), a réussi à étudier la dynamique des électrons dans des clusters composés de molécules d'eau avec une résolution temporelle de quelques attosecondes seulement. Ces résultats ont récemment fait l'objet d'une publication anticipée dans la revue scientifique Nature.

Délai d'ionisation

Dans leurs expériences, les scientifiques ont étudié la manière dont les amas d'eau sont ionisés par une courte impulsion laser dans l'ultraviolet extrême. À cette fin, les clusters sont d'abord créés en pressant la vapeur d'eau à travers une minuscule buse sous haute pression. L'énergie des photons ultraviolets extrêmes de l'impulsion laser provoque ensuite la libération d'un électron de l'amas. Cela conduit à une vacance, également appelée «trou».

La libération de l'électron, cependant, ne se produit pas immédiatement après l'arrivée de l'impulsion, mais plutôt après un court délai. Ce délai dépend de la façon dont le trou électronique est réparti entre les molécules de l'amas. «Jusqu'à présent, la distribution du trou ne pouvait être calculée que théoriquement, car le délai est beaucoup trop court pour être mesuré avec les méthodes traditionnelles», explique Xiaochun Gong, post-doc  responsable du projet.

Résolution attoseconde avec deux impulsions laser

Le délai ne dure en fait que quelques attosecondes, soit quelques milliardièmes de milliardième de seconde. Pour se rendre compte de la brièveté d'une attoseconde, on peut faire la comparaison suivante: le nombre d'attosecondes dans une seule seconde correspond à peu près au nombre de secondes dans 32 milliards d'années.

Pour pouvoir mesurer les périodes extrêmement courtes de quelques attosecondes, Jakob Wörner et son équipe ont divisé une impulsion laser infrarouge très intense en deux parties, dont l'une a été convertie dans l'ultraviolet extrême par multiplication de fréquence dans un gaz noble. Ils et elles ont superposé les deux impulsions et les ont dirigées vers les amas d'eau.

L'impulsion infrarouge a modifié l'énergie des électrons éjectés par l'impulsion laser ultraviolette. La phase oscillatoire de l'impulsion laser infrarouge a pu être réglée très précisément à l'aide d'un interféromètre. Le nombre d'événements d'ionisation, mesuré à l'aide de détecteurs, variait en fonction de la phase oscillatoire. À partir de ces mesures, les scientifiques ont pu lire directement le retard d'ionisation.

«Comme nous avons pu déterminer la taille de l'amas d'eau d'origine pour chaque événement d'ionisation à l'aide d'un spectromètre de masse, nous avons pu montrer que le délai dépend de la taille de l'amas», explique Saijoscha Heck, doctorant dans le groupe de Jakob Wörner. Jusqu'à une taille d'amas de quatre molécules d'eau, le délai augmente régulièrement jusqu'à environ cent attosecondes. Pour cinq molécules d'eau ou plus, en revanche, il reste pratiquement constant. Ce phénomène est lié au degré élevé de symétrie des petits groupes, qui permet au trou d'électron de se répartir sur l'ensemble du groupe, conformément aux règles de la mécanique quantique. En revanche, les grands clusters sont plutôt asymétriques et désordonnés et le trou se localise donc sur quelques molécules d'eau.

Applications également dans la technologie des semi-conducteurs

«Grâce à ces mesures attosecondes, nous avons ouvert de toutes nouvelles possibilités de recherche», déclare Jakob Wörner. Il planifie déjà des expériences de suivi dans lesquelles il souhaite résoudre la dynamique du trou électronique à la fois dans l'espace et dans le temps en utilisant des impulsions laser supplémentaires. Jakob Wörner espère, entre autres, que cela permettra de mieux comprendre comment les dommages causés par les rayonnements se développent dans les tissus biologiques, étant donné que l'ionisation de l'eau joue un rôle dominant dans ce processus. Mais Jakob Wörner voit également diverses applications possibles au-delà de la recherche sur la dynamique des électrons dans l'eau. Par exemple, pour réaliser des composants électroniques plus rapides, une compréhension approfondie de l'extension spatiale des états des électrons et des trous et de leur évolution dans le temps est indispensable. Dans ce cas, la nouvelle technique développée par l'équipe de recherche de l'ETH Zurich pourrait être extrêmement utile.