ARCHIVÉ - Des chercheurs du CNRC saisissent pour la première fois l'image de l'orbite des électrons

Le 05 janvier 2005 — Ottawa (Ontario)

Electron

Chaque année, lorsque vient le temps des Fêtes, les studios d'Hollywood déballent leurs superproductions. Récemment, des chercheurs de l'Institut Steacie des sciences moléculaires du CNRC (ISSM-CNRC) ont eux aussi réalisé un « film » d'action qui pourrait bien attirer sa part de cinéphiles. L'équipe a publié les résultats de ses travaux dans le numéro de Nature du 16 décembre.

Le film en question constitue un véritable coup d'éclat, car on y voit la première image de l'orbite des électrons, c'est-à-dire la zone dans laquelle les électrons se déplacent, aussi appelée « nuage électronique ». Ce film en est un « d'action » au plus pur sens du terme, car les électrons bougent à une vitesse considérablement plus grande que des voitures se faisant la course ou n'importe quel super héros, et réagissent entre eux avec une énergie et une puissance inimaginables. « Nous disposons maintenant d'une méthode pour filmer le petit monde violent et effréné des atomes et des molécules, un peu comme on filme le quotidien avec une simple caméscope », déclare Paul Corkum, chef du groupe de recherche sur la science à l'échelle de la femtoseconde de l'ISSM-CNRC et l'un des auteurs du rapport.

Les réactions chimiques reposent toutes sur les électrons et les changements qu'ils subissent en fonction des autres molécules. Obtenir une représentation tridimensionnelle de l'orbite des électrons est un premier pas vers l'obtention d'images qui montreront comment les liaisons chimiques se font et se défont lors d'une réaction, réalisation qui aura d'énormes répercussions sur l'ensemble des industries qui recourent à la chimie, telle la genèse de nouveaux médicaments. David Villeneuve, de l'ISSM-CNRC, qui signe aussi l'article, croit que la capacité d'observer ces changements revient à « observer la nature même de la chimie ».

Comment y sont-ils arrivés?

Pour saisir les électrons sur la pellicule, on a d'abord besoin d'un laser extrêmement rapide et puissant, capable de générer des impulsions d'une femtoseconde (lire l'encadré pour savoir ce qu'est une femtoseconde). Armée d'un tel laser, l'équipe a envoyé une impulsion dans une chambre à vide remplie d'azote. L'instant d'avant, une autre impulsion d'une femtoseconde avait permis de s'assurer que les molécules de gaz étaient bien alignées dans le même sens, bref que les « acteurs » étaient tous en place pour la photo.

Les chercheurs ont délibérément visé un des électrons extérieurs, dont les liaisons sont plus lâches, avec le laser afin de le séparer temporairement de la molécule mère. Temporairement signifie ici pendant 1,3 femtoseconde. Ce laps de temps écoulé, l'électron s'est rué vers la molécule d'azote d'où il avait été arraché. Durant ce processus, l'électron acquiert une énorme quantité d'énergie du laser, si bien que la collision libère une intense lumière dans la partie extrême de l'ultraviolet, ce que les chercheurs appellent les « hautes harmoniques ».

Programme de recherche femtosecond de l'ISSM-CNRC. De gauche à droite : Dirk Zeidler, David Villeneuve et Paul Corkum.

Au départ, l'équipe ne s'intéressait qu'aux propriétés particulières des hautes harmoniques, principalement au fait que la lumière émise est assez vive pour servir à la recherche, un peu comme le sont actuellement les lasers à femtoseconde.

Leur attention s'est toutefois tournée ailleurs quand un chercheur a émis l'idée que les hautes harmoniques pourraient nous renseigner sur la forme de l'orbite des électrons puisque c'est en se heurtant que ces derniers émettent la lumière. Bref, il ne s'agissait pas que de lumière. Si on analysait celle-ci, le spectre révélerait l'ombre sous-jacente de l'orbite moléculaire.

Le principe d'incertitude d'Heisenberg veut que les électrons d'une molécule n'occupent pas un seul point dans l'espace, mais un ensemble de points ou nuage. M. Villeneuve explique : « Imaginez une automobile roulant sur une piste de course. Vous prenez sa photo périodiquement et notez l'emplacement du véhicule. La forme du circuit se dessine au bout d'un certain temps. C'est donc la piste qu'on mesure, en réalité. » Mais mesurer un objet sous un seul angle ne dit pas grand-chose sur sa forme véritable. C'est pourquoi l'équipe a recouru à la tomographie, technique largement employée en imagerie médicale. En faisant tourner les molécules dans une chambre à vide, les scientifiques sont parvenus à obtenir un tableau tridimensionnel de l'orbite moléculaire.

Le chercheur ajoute qu'outre son importance manifeste pour la chimie, le projet revêt un intérêt considérable en illustrant comment fonctionne la science. Dans l'article de Nature, par exemple, les auteurs attirent l'attention sur le fait que leur technique en apparence « saugrenue » a abouti à un tel résultat. Selon M. Villeneuve, cela se produit constamment en science. « Aurions-nous obtenu les mêmes résultats si nous avions su où chercher dès le départ? Il est fort probable que non. Les résultats dévoilés aujourd'hui découlent d'un heureux concours de circonstances. Ils sont l'aboutissement d'une série de percées majeures, mais celles-ci n'ont certainement suivi aucun ordre logique », estime-t-il.

Le monde attend avec anticipation la prochaine superproduction du groupe.

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