Le XFEL européen révèle des fluctuations quantiques dans des molécules complexes
Une étape importante dans l'imagerie moléculaire
En raison du principe d'incertitude d'Heisenberg de la physique quantique, les atomes et les molécules ne s'arrêtent jamais complètement, même dans leur état d'énergie le plus bas. Des chercheurs de l'European XFEL à Schenefeld, près de Hambourg, ont pu pour la première fois mesurer directement ce mouvement quantique dans une molécule complexe. Toutefois, comme ils l'indiquent dans la revue Science, ils ont dû pour cela faire exploser la molécule.
L'immobilité absolue n'existe qu'en physique classique. Dans le monde quantique, même l'état fondamental ayant l'énergie la plus basse est caractérisé par des fluctuations persistantes. Cela est dû à un principe de mécanique quantique découvert par Werner Heisenberg il y a cent ans, lors du développement de la mécanique quantique. Les fluctuations dites du point zéro sont un effet quantique qui empêche les atomes de rester précisément dans une position fixe, même à des températures proches du zéro absolu. À l'European XFEL de Schenefeld, des chercheurs ont maintenant rendu directement observable ce qui était auparavant invisible - et ont rendu le monde quantique un peu plus tangible.
Une équipe internationale dirigée par Rebecca Boll de l'instrument SQS (Small Quantum Systems) de l'European XFEL à Schenefeld, Ludger Inhester du centre de recherche DESY et Till Jahnke de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, a réussi à visualiser le tremblement collectif d'une molécule entière. Grâce à une expérience sophistiquée et à une analyse fine des données, ils ont pu mesurer les fluctuations quantiques de la molécule de 2-iodopyridine (C5H4IN), composée de onze atomes - une étape importante dans le domaine de l'imagerie moléculaire. Ils décrivent leurs travaux dans la célèbre revue Science.
Les chercheurs ont utilisé une méthode aussi spectaculaire que son nom : l'imagerie par explosion de Coulomb. Les impulsions laser de rayons X ultracourtes et extrêmement intenses du laser européen XFEL arrachent très rapidement de nombreux électrons aux atomes des molécules individuelles de 2-iodopyridine. Les noyaux atomiques restants se chargent positivement et se repoussent les uns les autres. Le résultat ressemble à un big bang microscopique : les noyaux atomiques volent en éclats dans une explosion.
Néanmoins, à partir des directions de vol et des vitesses mesurées des fragments, les chercheurs peuvent reconstruire l'arrangement original des atomes - et plus encore : ils peuvent même visualiser les minuscules fluctuations de la mécanique quantique.
La molécule de 2-iodopyridine est ce que l'on appelle un anneau pyridinique. Il se compose d'un anneau de carbone auquel est incorporé un atome d'azote. Un atome d'iode est attaché à cet anneau pyridinique. D'un point de vue classique, l'ensemble de la molécule est parfaitement planaire, ce qui signifie que tous ses atomes se trouvent exactement dans un même plan. Si la molécule était un objet classique, après une explosion de Coulomb, tous les atomes et fragments s'envoleraient exactement à l'intérieur du plan moléculaire. Comme les chercheurs ont étudié la molécule dans son état fondamental, les déviations dues à d'éventuelles vibrations moléculaires peuvent être exclues.
Néanmoins, l'équipe a détecté des atomes chargés en dehors du plan moléculaire classiquement attendu. Leurs mesures correspondaient à des calculs de simulation détaillés qui incluaient également des méthodes d'apprentissage automatique. "Dans ces calculs, nous avons explicitement dû inclure les fluctuations quantiques afin de reproduire les données", explique Benoît Richard de DESY et de l'université de Hambourg, premier auteur de l'article publié dans Science.
"Nous avons en outre pu constater la nature collective des fluctuations quantiques dans les données de mesure", ajoute Ludger Inhester. "En d'autres termes, les atomes de la molécule ne tremblent pas indépendamment les uns des autres, mais se déplacent selon des schémas coordonnés.
Les données de mesure ont été enregistrées à l'aide d'un détecteur appelé microscope réactionnel COLTRIMS (REMI) - l'une des stations d'extrémité à la disposition des utilisateurs de l'instrument SQS. Cet appareil permet de reconnaître et d'affecter dans l'espace de nombreux fragments en même temps.
"Les premières indications de ce comportement corrélé des atomes dans les données remontent à 2021, mais il a fallu un certain temps pour tout comprendre et convaincre nos collègues de cette découverte remarquable", explique Till Jahnke, de l'Institut Max Planck de physique nucléaire de Heidelberg. L'une des difficultés réside dans le fait que tous les fragments de la molécule ne peuvent pas être détectés lors de chaque impulsion de rayons X. Les chercheurs ont surmonté cet obstacle en utilisant un système de détection des fragments. Les chercheurs ont surmonté cet obstacle en utilisant une nouvelle méthode d'analyse statistique mise au point par Benoît Richard, qui permet de reconstruire la distribution complète de la quantité de mouvement de la molécule, même à partir d'ensembles de données fragmentaires. "En outre, les flashs de rayons X très intenses émis par l'European XFEL font exploser chaque molécule très efficacement et de manière très similaire", souligne Rebecca Boll. "Avec cette méthode, nous avons pu déchiffrer la structure de la molécule entière", explique Robin Santra de DESY et de l'Université de Hambourg. Les chercheurs ont également clairement détecté les "empreintes" des fluctuations quantiques des atomes.
Cette nouvelle méthode ouvre des voies entièrement nouvelles pour l'exploration de systèmes mécaniques quantiques complexes. "L'imagerie par explosion de Coulomb ne se contente pas de fournir des valeurs moyennes, comme la cristallographie aux rayons X par exemple, mais nous permet d'étudier des molécules individuelles", explique M. Boll. "À l'avenir, cette technique pourrait être utilisée pour étudier des molécules encore plus grosses, et il est désormais possible de réaliser des films à résolution temporelle de leurs mouvements internes", explique Michael Meyer, responsable scientifique de l'instrument SQS : "Et ce, avec une résolution temporelle inférieure à une femtoseconde, c'est-à-dire à un quadrillionième de seconde".
Un projet de suivi sera financé l'année prochaine dans le cadre de la stratégie d'excellence du gouvernement fédéral allemand et des gouvernements des Länder, dans le cadre du pôle d'excellence récemment étendu "CUI : Imagerie avancée de la matière". Ce pôle de l'université de Hambourg est une coopération avec DESY, l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) et le XFEL européen.
Les travaux récemment publiés démontrent de manière impressionnante ce qu'il est possible de faire lorsque la technologie laser de pointe, la mécanique quantique et l'analyse sophistiquée des données sont réunies.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Benoît Richard, Rebecca Boll, Sourav Banerjee, Julia M. Schäfer, Zoltan Jurek, Gregor Kastirke, Kilian Fehre, Markus S. Schöffler, Nils Anders, Thomas M. Baumann, Sebastian Eckart, ... Rene Wagner, Peter Walter, Pawel Ziolkowski, Artem Rudenko, Michael Meyer, Robin Santra, Ludger Inhester, Till Jahnke; "Imaging collective quantum fluctuations of the structure of a complex molecule"; Science, Volume 389
Autres actualités du département science
