Dévoilement de la danse quantique : les expériences révèlent le lien entre la dynamique vibratoire et électronique

19 juillet 2023

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par Savannah Mitchem, Laboratoire national d'Argonne

Il y a près d'un siècle, les physiciens Max Born et J. Robert Oppenheimer ont formulé une hypothèse sur le fonctionnement de la mécanique quantique dans les molécules, constituées de systèmes complexes de noyaux et d'électrons. L'approximation de Born-Oppenheimer suppose que le mouvement des noyaux et des électrons dans une molécule est indépendant les uns des autres et peut être traité séparément.

Ce modèle fonctionne la grande majorité du temps, mais les scientifiques testent ses limites. Récemment, une équipe de scientifiques a démontré la rupture de cette hypothèse à des échelles de temps très rapides, révélant une relation étroite entre la dynamique des noyaux et des électrons. Cette découverte pourrait influencer la conception de molécules utiles pour la conversion de l’énergie solaire, la production d’énergie, la science de l’information quantique et bien plus encore.

L'équipe, comprenant des scientifiques du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE), de l'Université Northwestern, de l'Université d'État de Caroline du Nord et de l'Université de Washington, a récemment publié sa découverte dans deux articles connexes dans Nature et Angewandte Chemie International Edition.

"Notre travail révèle l'interaction entre la dynamique du spin électronique et la dynamique vibratoire des noyaux dans les molécules à des échelles de temps ultra-rapides", a déclaré Shahnawaz Rafiq, associé de recherche à l'Université Northwestern et premier auteur de l'article Nature. "Ces propriétés ne peuvent pas être traitées indépendamment : elles se mélangent et affectent la dynamique électronique de manière complexe."

Un phénomène appelé effet vibronique de spin se produit lorsque des changements dans le mouvement des noyaux d'une molécule affectent le mouvement de ses électrons. Lorsque les noyaux vibrent au sein d'une molécule, soit en raison de leur énergie intrinsèque, soit en raison de stimuli externes, tels que la lumière, ces vibrations peuvent affecter le mouvement de leurs électrons, ce qui peut à son tour modifier le spin de la molécule, une propriété de la mécanique quantique liée au magnétisme.

Dans un processus appelé croisement inter-systèmes, une molécule ou un atome excité change son état électronique en inversant l’orientation de son spin électronique. Le croisement entre systèmes joue un rôle important dans de nombreux processus chimiques, notamment ceux des dispositifs photovoltaïques, de la photocatalyse et même des animaux bioluminescents. Pour que ce croisement soit possible, il nécessite des conditions spécifiques et des différences d’énergie entre les états électroniques impliqués.

Depuis les années 1960, les scientifiques ont émis l'hypothèse que l'effet spin-vibronique pourrait jouer un rôle dans le croisement inter-systèmes, mais l'observation directe du phénomène s'est révélée difficile, car elle implique la mesure des changements dans les états électroniques, vibratoires et de spin à des vitesses très rapides. échelles de temps.

"Nous avons utilisé des impulsions laser ultracourtes - jusqu'à sept femtosecondes, soit sept millionièmes de milliardième de seconde - pour suivre le mouvement des noyaux et des électrons en temps réel, ce qui a montré comment l'effet vibronique de spin peut conduire au croisement inter-systèmes." a déclaré Lin Chen, Argonne Distinguished Fellow, professeur de chimie à l'Université Northwestern et auteur co-correspondant des deux études.

"Comprendre l'interaction entre l'effet spin-vibronique et le croisement inter-systèmes pourrait potentiellement conduire à de nouvelles façons de contrôler et d'exploiter les propriétés électroniques et de spin des molécules."

L'équipe a étudié quatre systèmes moléculaires uniques conçus par Felix Castellano, professeur à la North Carolina State University et auteur co-correspondant des deux études. Chacun des systèmes est semblable à l’autre, mais ils contiennent des différences contrôlées et connues dans leurs structures. Cela a permis à l’équipe d’accéder à des effets de croisement inter-systèmes et à des dynamiques vibratoires légèrement différents pour obtenir une image plus complète de la relation.