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Des chercheurs du CNRC et de l’Université d’Ottawa sont les premiers témoins de la rupture d’une liaison chimique révélée par les électrons d’une molécule

les auteurs - imageDes chercheurs du Conseil national de recherches du Canada (CNRC) et de l’Université d’Ottawa ont réussi à avoir une vue d’ensemble d’une liaison chimique pendant sa rupture.

Les processus biochimiques de la vie elle-même sont basés fondamentalement sur la création et la rupture de liaisons chimiques. Une meilleure compréhension des processus quantiques menant aux réactions chimiques pourrait permettre de trouver de nouvelles stratégies de conception et de contrôle des molécules,

L’équipe du CNRC et de l’Université d’Ottawa (de gauche à droite) :
M. Hans Wörner, Julien Beaudoin-Bertrand, prof. Paul Corkum et
M. David Villeneuve (participant absent : Daniil Kartashov)

et, éventuellement, de faire des découvertes importantes dans les domaines des soins de santé, de la médecine diagnostique, de l’information quantique, de la nanotechnologie, des sciences de l’environnement et de l’énergie.

L’équipe du CNRC et de l’Université d’Ottawa, dirigée par M. David Villeneuve, a réalisé cet exploit à l’aide d’une technique mise au point il y a plusieurs années au CNRC pour obtenir l’image d’un seul électron en orbite autour d’une molécule. Dans la présente expérience, décrite dans le numéro du 29 juillet de la revue Nature, des chercheurs injectent du brome gazeux dans une chambre sous vide. Dans cette chambre, une impulsion ultracourte de rayonnement ultraviolet dissocie les molécules de brome pour former des atomes individuels (une molécule de brome est composée de deux atomes de brome). Quelques femtosecondes plus tard, la molécule émet des rayons X d’une durée de l’ordre de l’attoseconde sous l’effet d’une impulsion d’un laser infrarouge de forte intensité. Ces rayons X permettent de connaître la position de l’atome au moment de la rupture de la molécule et montrent le mode de réorganisation des électrons.

diagram

Chaque molécule émet un court jet de lumière ultraviolette dans deux états différents simultanément : L’état fondamental statique (image du bas) et l’état excité (image du haut) qui se sépare en deux atomes. Un champ laser de forte intensité attire un électron de chaque état et le repousse vers la molécule (flèches rouges). Quand les électrons heurtent la molécule, ils émettent un jet de rayons X extrêmement court (flèches violettes). Il se produit une interférence entre les jets de lumière émis des deux états de la molécule, permettant de mesurer très précisement la rupture de la liaison.

M. Villeneuve explique qu’« en raison des lois étranges de la physique quantique, une molécule fracturée par une impulsion de laser infrarouge demeure inchangée par cette même impulsion, un paradoxe comme celui du chat de Schrödinger, qui est à la fois vivant et mort. »

On a utilisé l’interférence des rayons X émis par les deux états quantiques de la molécule pour déterminer l’emplacement des atomes et pour observer pendant une période de 200 femtosecondes seulement la transformation de la molécule en deux atomes séparés. Dans cette expérience, on a réussi à mesurer les jets de rayons X avec une précision inférieure à 500 zeptosecondes. « C’est excitant d’observer la transformation quantique de la molécule, dans laquelle les électrons sont partagés, en atomes individuels », affirme M. Villeneuve.

Selon le professeur Paul Corkum, coauteur et pionnier de la physique à l’échelle de l’attoseconde, « Dans la vie réelle, nous sommes plus sensibles au mouvement s’il existe un arrière-plan fixe servant de plan de repère. Nous avons réussi à démontrer ce même phénomène à l’échelle moléculaire. Les molécules ne réagissant pas, qui sont ordinairement nuisibles lors de expériences, peuvent aussi servir de repère. Nous devenons si sensibles au mouvement par rapport à cet arrière-plan fixe que nous pouvons observer la dissociation de quelques molécules seulement. Cette expérience représente une autre étape importante vers la réalisation du but de filmer les réactions chimiques. »

Ces recherches ont été effectuées au Laboratoire mixte des sciences de l’attoseconde (JASLab), un laboratoire de lasers commun du Conseil national de recherches du Canada et de l’Université d’Ottawa, avec la participation de l’Université technique de Viennes. Le laboratoire JASLab est l’un des laboratoires les plus reconnus dans le domaine des recherches à l’échelle de l’attoseconde.

 

À propos du Conseil national de recherches du Canada et de l’Université d’Ottawa

Le Conseil national de recherches du Canada est un chef de file dans le développement au Canada d'une économie novatrice axée sur le savoir, grâce à la science et à la technologie.

La réputation comme chef de file en recherche et en développement de connaissances interdisciplinaires de l’Université d’Ottawa fait d’elle un choix de premier ordre auprès des chercheurs les plus prometteurs du Canada et du monde entier.

La collaboration entre le CNRC et l'Université d'Ottawa illustre parfaitement comment un partenariat novateur peut mettre l'infrastructure scientifique publique du Canada à l'œuvre pour rendre le pays plus concurrentiel.

Pour de plus amples renseignements :

Hélène Létourneau
Agente de communications
Conseil national de recherches du Canada
Institut Steacie des sciences moléculaires
100, prom. Sussex, local 1141
Ottawa (Ontario)  K1A 0R6
CANADA

Tél : (613) 991.5419
Courriel : Helene.Letourneau@nrc-cnrc.gc.ca