Un électron s’échappant d’une molécule par un tunnel quantique se comportera-t-il différemment selon la gauchère ou la droite de la molécule ?
Les chimistes ont emprunté les expressions « gaucher » et « droitier » à l’anatomie pour décrire des molécules caractérisées par un type particulier d’asymétrie. Pour explorer le concept de chiralité, regardez vos mains, paumes vers le haut. De toute évidence, les deux sont des images miroir l’un de l’autre. Mais si nous essayons de les superposer, ils ne se chevaucheront pas complètement. De tels objets, appelés « chiraux », peuvent être trouvés à toutes les échelles de la nature, des galaxies aux molécules.
Chaque jour, nous faisons l’expérience de la chiralité non seulement lorsque nous saisissons un objet ou enfilons nos chaussures, mais aussi lorsque nous mangeons ou respirons : notre goût et notre odorat peuvent distinguer deux images miroir d’une molécule chirale. En fait, notre corps est tellement sensible à la chiralité qu’une molécule peut être un médicament et son image miroir un poison. La chiralité est donc cruciale en pharmacologie, où 90 % des médicaments synthétisés sont des composés chiraux.
Les molécules chirales ont des propriétés de symétrie particulières qui en font d’excellents candidats pour l’étude des phénomènes fondamentaux en physique. Récemment, les équipes de recherche dirigées par le Pr Yann Mairesse du CNRS / Université de Bordeaux et le Pr Nirit Dudovich du Département de physique des systèmes complexes de l’Institut Weizmann ont utilisé la chiralité pour apporter un nouvel éclairage sur l’un des phénomènes quantiques les plus intrigants : le processus d’effet tunnel.
L’effet tunnel est un phénomène dans lequel les particules quantiques traversent des barrières physiques apparemment impossibles à franchir. Ce mouvement étant interdit en mécanique classique, il est très difficile d’établir une image intuitive de sa dynamique. Pour créer un tunnel dans les molécules chirales, les chercheurs les ont exposées à un champ laser intense. « Les électrons des molécules sont naturellement liés autour des noyaux par une barrière énergétique », explique Mairesse. « Vous pouvez imaginer les électrons comme de l’air piégé à l’intérieur d’un ballon gonflable. Les champs laser puissants ont la capacité de réduire suffisamment l’épaisseur du ballon pour qu’un peu d’air puisse le traverser, même s’il n’y a pas de trou dans le ballon. »
Mairesse, Dudovich et leurs équipes ont entrepris d’étudier un aspect encore inexploré de l’effet tunnel : le moment où une molécule chirale rencontre un champ lumineux chiral et la manière dont leur brève rencontre affecte l’effet tunnel des électrons. « Nous étions très enthousiastes à l’idée d’explorer le lien entre la chiralité et l’effet tunnel. Nous souhaitions en savoir plus sur ce à quoi ressemblerait l’effet tunnel dans ces circonstances particulières », explique Dudovich.
Il ne faut que quelques centaines d’attosecondes à un électron pour s’échapper d’un atome ou d’une molécule. Ces délais minuscules caractérisent de nombreux processus étudiés dans les laboratoires de Mairesse et de Dudovich. Les deux équipes se sont posées la question suivante : Comment la chiralité d’une molécule affecte-t-elle la fuite d’un électron ?
« Nous avons utilisé un champ laser qui tourne dans le temps pour faire tourner la barrière autour des molécules chirales », explique Mairesse. « Pour poursuivre avec la métaphore du ballon, si le champ laser tourne horizontalement, vous vous attendez à ce que l’air sorte du ballon sur le plan horizontal, en suivant la direction du champ laser. Ce que nous avons trouvé, c’est que si le ballon est chiral, l’air sort du ballon en volant vers le sol ou le plafond, selon le sens de rotation du laser. En d’autres termes, les électrons sortent du tunnel chiral avec une mémoire du sens de rotation de la barrière. Ceci ressemble beaucoup à l’effet de un tire-bouchon, mais à l’échelle du nanomètre et de l’attoseconde. »
Les deux équipes ont ainsi découvert que la probabilité qu’un électron subisse un tunnel, la phase à laquelle l’électron sort et le moment de l’événement tunnel dépendent de la chiralité de la molécule. Ces résultats passionnants jettent les bases d’études supplémentaires qui utiliseront les propriétés de symétrie uniques des molécules chirales pour étudier les processus les plus rapides se produisant dans l’interaction lumière-matière.
L’article est publié dans la revue Examen physique X.
Plus d’information:
E. Bloch et al, révélant l’influence de la chiralité moléculaire sur la dynamique d’ionisation tunnel, Examen physique X (2021). DOI : 10.1103/PhysRevX.11.041056