La lumière laser contrôle les structures moléculaires

Un nouvel outil pour étudier les réactions chimiques

Les réactions chimiques sont à la base de tous les processus qui soutiennent la vie. Partout dans le monde, des chercheurs s’efforcent d’élaborer des descriptions physiques précises de ces processus afin de mieux les comprendre, de les prédire ou de les contrôler de manière ciblée.

Au cours des réactions chimiques, les molécules subissent diverses transformations structurelles, modifiant leur forme en 3D entre différentes conformations. Ces changements peuvent être visualisés comme des mouvements à travers un paysage énergétique, où la configuration du terrain détermine la vitesse à laquelle une réaction se déroule. À l’instar d’une balle roulant sur un terrain vallonné, une molécule doit franchir des barrières énergétiques — les « montagnes » — pour se stabiliser dans un nouvel état stable, dans la « vallée » suivante.

Dans une étude antérieure portant sur un complexe phosphate-formiate lié à un proton, l’équipe de recherche a observé l’absence inhabituelle de caractéristiques spectrales, suggérant que le changement structurel est déclenché par l’irradiation laser — un processus connu sous le nom d’isomérisation induite par IR. Afin d’étudier ce processus fascinant plus en détail, elle a mis au point une nouvelle approche expérimentale nécessitant deux lasers IR synchronisés. Le nouveau fonctionnement bicolore du laser IR-FEL à double oscillateur récemment construit à l’Institut Fritz-Haber a rendu ces expériences possibles et ouvre ainsi de nouvelles voies pour l’étude et le contrôle des molécules.

Identification moléculaire sélective et efficace

L’équipe de recherche a piégé les ions moléculaires à l’intérieur de gouttelettes d’hélium liquide superfluide — à seulement une fraction de degré au-dessus du zéro absolu — afin de refroidir rapidement les molécules tout en leur permettant d’absorber la lumière laser pendant une durée exceptionnellement longue. À mesure que les molécules absorbent la lumière, l’hélium environnant s’évapore progressivement, et après plusieurs événements d’absorption, cette évaporation produit un signal détectable.

Cependant, si la molécule se réorganise en une structure différente avant qu’une absorption suffisante ne se produise, le signal est perdu. Pour remédier à cela, l’équipe a utilisé deux faisceaux laser à électrons libres infrarouges réglables indépendamment afin de contrôler entièrement les populations des deux conformations moléculaires. Un laser peut amener la molécule à se réorganiser en un conformère différent, tandis que le second rétablit sélectivement la structure d’origine, permettant ainsi la poursuite de l’absorption.

La longue durée d’excitation infrarouge (jusqu’à 10 µs) et le refroidissement rapide assuré par l’environnement d’hélium ont permis la conversion complète entre les isomères, rendant ainsi possible la mesure sélective de ces derniers – ce qui a permis d’obtenir une empreinte moléculaire qui serait restée cachée lors de mesures réalisées avec un seul laser.

Cette technique offre un nouveau moyen puissant de contrôler la structure moléculaire et de mieux comprendre les réarrangements moléculaires, ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour l’étude des dynamiques qui régissent la chimie à son niveau le plus fondamental.

Fonctionnement bicolore du FHI-FEL

Les lasers à électrons libres infrarouges (IR-FEL) se sont révélés être des outils idéaux pour différentes variantes de la spectroscopie. Ils permettent d’accéder à de longues longueurs d’onde (λ ≥ 15 µm), ce qui reste limité avec les sources commerciales. De plus, les IR-FEL fournissent un très grand nombre de photons sur une période prolongée. Cela peut être mis à profit pour injecter de grandes quantités d’énergie dans les échantillons.

Depuis 2013, le laser à électrons libres du FHI (FHI-FEL) fournit un rayonnement infrarouge moyen intense et pulsé, continuellement accordable sur une plage de longueurs d’onde comprise entre 2,8 et 50 µm. Récemment, l’appareil a été modernisé pour intégrer une deuxième branche de laser à électrons libres (FEL) conçue pour générer un rayonnement infrarouge lointain à des longueurs d’onde allant jusqu’à 165 µm.

La structure temporelle de la lumière d’un laser à électrons libres est déterminée par la structure temporelle du faisceau d’électrons à partir duquel elle est générée. Pour permettre un fonctionnement IR-FEL bicolore, le faisceau d’électrons du FHI-FEL est divisé en deux faisceaux d’électrons qui sont couplés à deux cavités optiques distinctes dotées d’ondulateurs accordables indépendamment. De cette manière, la synchronisation parfaite des deux faisceaux d’électrons est garantie. Il en résulte deux FEL infrarouges accordables indépendamment, une configuration unique au monde.