Pour découvrir comment la lumière interagit avec les molécules, la première étape consiste à suivre la dynamique des électrons, qui évolue à l’échelle de temps attoseconde. La dynamique de cette première étape a été appelée migration de charge (CM). La CM joue un rôle fondamental dans les réactions chimiques et les fonctions biologiques associées à l’interaction lumière-matière. Pendant des années, visualiser la CM à l’échelle de temps naturelle des électrons a constitué un formidable défi dans la science ultrarapide en raison de la résolution spatiale ultrafine (angström) et temporelle ultrarapide (attoseconde) requise.
Expérimentalement, la dépendance sensible du CM aux orbitales et orientations moléculaires a rendu la dynamique du CM complexe et difficile à retracer. Il reste encore quelques questions ouvertes sur la CM moléculaire qui restent floues. L’une des questions les plus fondamentales : à quelle vitesse la charge migre-t-elle dans les molécules ? Bien que la CM moléculaire ait été largement étudiée théoriquement au cours de la dernière décennie en utilisant des progiciels de chimie quantique dépendant du temps, une mesure réelle de la vitesse de la CM est restée inaccessible, en raison du défi extrême.
Comme indiqué dans Photonique avancéeune équipe de recherche de l’Université des sciences et technologies de Huazhong (HUST), en coopération avec des équipes théoriques de l’Université d’État du Kansas et de l’Université du Connecticut, a récemment proposé une méthode de spectroscopie harmonique élevée (HHS) pour mesurer la vitesse du CM dans une molécule à chaîne carbonée. , butadiyne (C4H2).
Le principe du HHS est basé sur le modèle en trois étapes de génération d’harmoniques d’ordre élevé (HHG) : ionisation, accélération et recombinaison. Une forte ionisation de champ crée d’abord un paquet d’ondes de trous dans l’ion, qui évolue dans le champ laser et est sondé par le paquet d’ondes électroniques de retour au moment de la recombinaison, la dynamique des trous étant enregistrée dans les spectres harmoniques générés. Les chercheurs ont utilisé un schéma HHS bicolore en combinaison avec un algorithme avancé de reconstruction d’apprentissage automatique pour reconstruire le CM dans C4H2 au niveau le plus fondamental pour chaque angle fixe dans l’espace de la molécule. La méthode a atteint une résolution temporelle de 50 as.
À partir des densités de trous récupérées en fonction du temps, le mouvement du centre de charge est identifié. À partir de là, la vitesse du CM est quantifiée, soit environ plusieurs angströms par femtoseconde. De plus, la dépendance de la vitesse du CM sur les angles d’alignement de la molécule par rapport à la polarisation du laser est également révélée. Le CM sous contrôle laser s’avère plus rapide que celui sans champ. Ce travail offre pour la première fois une réponse expérimentale concernant la vitesse du CM dans une molécule.
L’auteur correspondant Pengfei Lan, professeur à l’École de physique HUST, déclare : « Ce travail fournit un aperçu approfondi de la dynamique CM dans les molécules et pourrait renforcer notre compréhension de cette dynamique ultrarapide. » Lan note que le contrôle de la vitesse du CM par alignement moléculaire suggère également un moyen prometteur de manipuler la vitesse d’une réaction chimique, une voie que son équipe vise à explorer dans un avenir proche.
Plus d’information:
Lixin He et al, Sondage attoseconde et contrôle de la migration de charge dans une molécule à chaîne carbonée, Photonique avancée (2023). DOI : 10.1117/1.AP.5.5.056001