Un pas dans la connaissance fine des dynamiques moléculaires

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© 2020 EPFL

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Travaillant à la frontière entre le monde quantique et la physique classique, des chercheurs de l’EPFL ont développé une méthode permettant d’identifier plus rapidement des molécules présentant une particularité électronique intéressante.

Observables de manière toujours plus précise grâce aux technologies lasers, les structures moléculaires réservent parfois des surprises aux chercheurs. Ceux du Laboratoire de chimie physique théorique (LCPT) de l’EPFL en ont récemment fait l’expérience. En étudiant la dynamique de molécules polyatomiques - c’est-à-dire formées de plusieurs atomes - ils se sont aperçus que les électrons s’y déplaçaient très différemment de lorsqu’ils se trouvent dans des atomes isolés. Dans ces derniers, les oscillations électroniques se répètent en général selon un schéma régulier. Dans la plupart des molécules polyatomiques, elles diminuent rapidement - ce qui est appelé le phénomène de décohérence. Dans certaines d’entre elles, pourtant, ces oscillations perdurent plus longtemps.

Afin d’identifier plus facilement les candidates à ce type de cohérence persistante, les chercheurs ont développé une technique capable de révéler les mécanismes physiques responsables des décohérences. Celle-ci pourrait s’avérer intéressante dans la recherche de nouvelles technologies électroniques ou d’analyses biologiques. Leur découverte a récemment fait l’objet d’une publication dans le journal Physical Review Letters.

«La mobilité des électrons est un processus extrêmement rapide - ils se déplacent à l’échelle de l’attoseconde - ce qui les rend particulièrement difficiles à observer», relève Nikolay Golubev, chercheur au LCPT et premier auteur de l’étude. C’est pourquoi, dans leurs travaux, les chercheurs ont intégré une donnée supplémentaire: la dynamique plus lente du noyau atomique et son influence sur celle des électrons dans certaines structures moléculaires, les faisant passer en quelques femtosecondes d’un mouvement ondulatoire cohérent à une décohérence, qui finit par s’affaiblir et disparaître.

Approche semi classique

Pour pouvoir identifier plus facilement la présence - ou non - de cet effet, les scientifiques ont développé une technique théorique décrivant précisément la dynamique des électrons et des noyaux lorsqu’elle est initiée par ionisation des molécules avec des impulsions laser ultracourtes. Ils se sont basés sur une approche dite « semiclassique », c’est-à-dire combinant des caractéristiques quantiques - telles que la simultanéité de plusieurs états dynamiques différentes - et traditionnelles - à savoir les trajectoires classiques guidant les fonctions d’onde moléculaire. La méthode proposée permet d’appréhender le processus de décohérence beaucoup plus rapidement, simplifiant grandement l’analyse de molécules et donc la recherche de potentielles candidates à une cohérence persistante.

«Initialement, déterminer l’évolution quantique de la fonction d’onde d’une molécule polyatomique est un travail gigantesque et irréalisable, même avec les plus grands supercalculateurs du monde, explique Jiri Vanicek, qui dirige le LCPT. L’approche semi-classique permet de remplacer ce problème quantique insolvable par un problème encore difficile, mais résoluble. Il fournit également une interprétation simple, dans laquelle la molécule peut être vue comme une balle roulant sur un paysage de grande dimension.»

Pour l’illustrer, les chercheurs décrivent les travaux menés sur deux molécules: l’acide propiolique, qui présente une longue cohérence, et l’un de ses dérivés, le propiolamide, qui offre une décohérence rapide. Les chercheurs espèrent pouvoir prochainement en tester des centaines d’autres grâce à leur méthode.

En plus de faire un pas de plus dans la connaissance toujours plus fine des structures et dynamiques moléculaires, cette méthode devrait donc s’avérer utile pour identifier la cohérence électronique de longue durée dans les molécules. Une meilleure compréhension du processus de décohérence pourrait également, par exemple, permettre d’observer plus précisément comment les molécules agissent dans les tissus biologiques ou de créer de nouvelles sortes de circuits électroniques.

Références

"On-the-Fly Ab Initio Semiclassical Evaluation of Electronic Coherences in Polyatomic Molecules Reveals a Simple Mechanism of Decoherence", Nikolay V. Golubev, Tomislav Begu¨i’, and Ji?í Vaní?ek. Publié dans la revue Physical Review Letters le 17 août 2020.