Dans le domaine émergent de l’ attochimie , les scientifiques utilisent des impulsions laser pour déclencher et diriger le mouvement des électrons à l’intérieur des molécules. Ce niveau de précision pourrait un jour nous permettre de concevoir des produits chimiques à la demande. L’attochimie pourrait également permettre de contrôler en temps réel la manière dont les liaisons chimiques se rompent ou se forment, aboutir à la création de médicaments hautement ciblés, développer de nouveaux matériaux aux propriétés sur mesure et améliorer des technologies telles que la captation de l’énergie solaire et l’informatique quantique.
Mais l’obstacle majeur est la décohérence: les électrons perdent leur «synchronisation» quantique en quelques femtosecondes (un millionième de milliardième de seconde), surtout lorsque la molécule est volumineuse et flexible. Les chercheuses et chercheurs ont essayé différentes méthodes pour maintenir la cohérence, par exemple en utilisant des atomes lourds ou des températures de congélation. Comme la cohérence quantique disparaît à l’échelle macroscopique, la plupart des approches pour maintenir la cohérence reposent sur la même hypothèse: les molécules plus grandes et plus flexibles perdent leur cohérence plus rapidement. Que se passe-t-il si cette hypothèse est fausse?
Trois chercheurs, Alan Scheidegger et Jirí Vanícek de l’EPFL, et Nikolay Golubev de l’Université de l’Arizona, ont étudié une série de molécules organiques simples, chacune avec des groupes aldéhyde et alcyne terminaux séparés par une chaîne d’atomes de carbone. Ils ont utilisé des simulations pour montrer que l’allongement de la chaîne carbonée permettait aux électrons de rester synchronisés plus longtemps. Cette découverte pourrait aider à concevoir des molécules qui conservent plus longtemps leurs propriétés quantiques.
Modéliser chaque petit mouvement des atomes et des électrons aurait été trop complexe et impossible à calculer. Les chercheurs ont donc utilisé un raccourci intelligent: ils ont traité les noyaux atomiques - les noyaux lourds des atomes - comme se déplaçant selon les règles de la mécanique classique, telles de minuscules boules de billard, tout en tenant compte de leur nature quantique de manière approximative et en suivant minutieusement les électrons plus légers à l’aide des lois exactes de la mécanique quantique, ce qui leur a permis de comprendre leur nature ondulatoire et probabiliste. Cette approche, appelée dynamique semi-classique, leur a donné une vue détaillée des vibrations atomiques spécifiques qui perturbent l’état quantique fragile et celles qui lui permettent de survivre plus longtemps.
L’étude a montré que l’ajout d’atomes de carbone ralentit la décohérence. Dans les molécules de plus grande taille comme le pentynal, certaines vibrations qui perturberaient normalement le flux des électrons sont devenues beaucoup moins actives, voire ont disparu. En effet, l’étude a montré que seules des vibrations particulières qui préservent la symétrie de la molécule ont un impact significatif sur la cohérence. En revanche, les vibrations hors plan, qui auraient pu causer des perturbations, se sont avérées sans effet.
Les chercheurs ont également constaté que la migration des charges ne durait pas seulement plus longtemps, mais qu’elle était aussi plus facile à observer. Lorsqu’une molécule perd un électron, elle laisse derrière elle un «trou», une zone de charge positive qui agit comme un électron manquant. Dans la plus grande molécule étudiée, ce trou migrant se déplaçait plus facilement et de façon plus prévisible le long de la chaîne carbonée, avec moins de perturbations dues aux vibrations internes. Ce mouvement plus clair et plus stable permet aux scientifiques de chronométrer plus facilement les interventions, par exemple en utilisant une deuxième impulsion laser pour influencer les réactions chimiques. En bref, l’augmentation de la taille de la molécule a permis de stabiliser la migration de la charge au lieu de la perturber.
La cohérence quantique n’est pas seulement un phénomène de laboratoire, elle est essentielle pour des technologies comme les ordinateurs quantiques, les capteurs ultra-sensibles et le contrôle chimique par laser. L’étude montre qu’en augmentant la taille et la flexibilité des molécules - sans perdre leur réactivité chimique - les scientifiques peuvent en fait étendre la cohérence quantique et stabiliser la migration de charge.
«La migration de charge est actuellement un domaine de recherche très actif et est au coeur du secteur émergent de l’attochimie, qui repose sur une cohérence électronique durable», explique Alan Scheidegger, doctorant à l’EPFL et principal auteur de l’étude. «De manière plus générale, l’allongement des délais de cohérence présente un intérêt considérable pour les chercheuses et chercheurs qui développent des technologies quantiques.»
