Imagerie du mouvement quantique des électrons à l'aide de la lumière

Pendant des décennies, les physiciens ont étudié la manière dont un électron doit se lier à un proton, le système atomique le plus simple. Les motifs fascinants des orbitales d'hydrogène qui se forment à différents niveaux d'énergie sont des objets statiques, calculés par une modélisation informatique détaillée. Ce sont des instantanés d'atomes d'hydrogène figés dans le temps.

Mais les modèles informatiques les plus avancés peuvent également calculer à quoi ressemblent les atomes d'hydrogène lorsqu'ils passent d'un état à un autre, comment les orbitales changent de forme, comment elles se combinent et se superposent. Les résultats sont des vidéos d'orbitales d'hydrogène en mouvement-mouvement quantique.

Mais tout cela n'est que théorie. Personne ne sait à quoi ressemblent les atomes d'hydrogène dans la pratique, car il est impossible de photographier des électrons avec la lumière, et encore moins de les filmer en action. À droite?

Pas assez. Au cours des dernières années, les physiciens ont appris à générer des impulsions lumineuses suffisamment petites et courtes pour démêler la structure d'un atome d'hydrogène. Ces impulsions sont constituées de rayons X en paquets de quelques longueurs d'onde seulement.

Dans les prochaines années, cette technique devrait être capable de réaliser des films avec une résolution de l'ordre de l'angström et une fréquence d'images d'une image par femtoseconde. C'est plus que suffisant pour montrer le mouvement des orbitales à hydrogène.

Alors à quoi ressembleront ces mouvements ? Les physiciens ont des techniques standard pour calculer la façon dont les rayons X se dispersent sur les atomes. L'idée ici est qu'ils préparent un ensemble d'atomes d'hydrogène dans un état spécifique, ou une combinaison d'états, en utilisant une impulsion laser conventionnelle.

Peu de temps après, ils zappent les atomes avec des paquets de rayons X et mesurent leur diffusion. Cela donne un instantané de l'atome d'hydrogène à cet instant.

Pour construire un film, ils prennent une autre image mais cette fois laissent un peu de temps supplémentaire entre l'impulsion de préparation et l'impulsion d'imagerie. Etc. Cela produit un film du mouvement quantique des électrons en orbite autour d'un proton.

Le problème, bien sûr, est qu'un paquet de rayons X modifie inévitablement les orbitales des électrons, déformant la forme de l'atome d'hydrogène lors de son imagerie. C'est cette distorsion qui rend l'imagerie quantique si gênante.

En fait, c'est si complexe que les physiciens l'ont tout simplement ignoré ; ou du moins se sont persuadés qu'elle est négligeable. Les seuls calculs qu'ils aient jamais faits pour modéliser le mouvement quantique des électrons supposent que les rayons X ne modifient en aucune façon le comportement des électrons.

Aujourd'hui, cela change grâce au travail de Gopal Dixit du Center for Free-Electron Laser Science de DESY à Hambourg et de quelques amis.

Ces gars-là ont déterminé comment les rayons X devraient influencer la forme d'un atome d'hydrogène et ont calculé à quoi ressemblerait une vidéo du mouvement quantique résultant des électrons.

La figure ci-dessus montre les résultats sous la forme d'une série de cadres. La rangée du milieu montre la façon dont les orbitales électroniques changent lorsqu'elles sont dans une superposition d'orbitales 3d et 4f. La rangée du bas montre la prédiction selon l'approche existante – et c'est plutôt inintéressant aussi.

La rangée du haut, en revanche, montre à quoi ressembleraient les images en supposant que les rayons X déforment les orbitales. Ils montrent clairement le type d'asymétrie que l'imagerie par rayons X introduirait, ce que l'approche existante ne permet tout simplement pas.

C'est important car ce genre de vidéos devrait être possible dans les mois et années à venir. Savoir les interpréter sera crucial.

Et les atomes d'hydrogène ne seront que le début. Il ne faudra pas longtemps avant que nous ayons des vidéos du mouvement quantique des électrons dans des molécules plus complexes, peut-être même dans les biomolécules elles-mêmes. Lorsque cela se produira, nous observerons le mouvement quantique de la vie elle-même.

Réf : arxiv.org/abs/1207.4565 : Imagerie électronique du mouvement quantique avec la lumière

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