Observer les mouvements ultra-rapides des atomes et des électrons

Le transfert d'électron provoqué par la lumière est au cœur de nombreux processus physiques. Il permet par exemple de rendre des matériaux magnétiques. La quête pour comprendre et contrôler ce processus ultra-rapide est longtemps restée vaine : le transfert d’électrons induit-il les mouvements atomiques ou vice versa ? Pour répondre à cette question, équivalente au paradoxe de l'œuf et de la poule au niveau atomique, un consortium de scientifiques piloté par l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1)1 a utilisé un laser à rayons X (X-FEL) situé à Stanford2 . Cet instrument de dernière génération permet d’observer en temps réel les électrons et les atomes qui composent la matière. Dans le système étudié, les expériences ont montré que la lumière déforme de façon ultra-rapide la structure moléculaire autour des atomes de cobalt. Ceci entraîne le transfert d'électron des atomes de fer vers les atomes de cobalt, rendant ainsi le système magnétique. Ces travaux, publiés dans Nature Chemistry le 7 décembre 2020, démontrent qu'il est possible de distinguer les dynamiques électroniques des mouvements atomiques à l'échelle du dixième de millionième de millionième de seconde (soit 100 femtoseconde). Ils ouvrent ainsi la voie au développement d'une science du contrôle des matériaux par la lumière.

 

• 1Ces travaux impliquent en outre des scientifiques de l’Institut de chimie moléculaire et des matériaux d’Orsay (CNRS/Université Paris-Saclay), de l’Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (CNRS/Université de Bordeaux/Bordeaux INP), de l’ESRF, de l’Université de Rome (Italie), du Linac Coherent Light Source au SLAC National Accelerator Laboratory (Stanford, États-Unis) et de la Lebanese German University (Jounieh, Liban).
• 2Le laser à électrons libres (X-FEL) LCLS est une machine de plusieurs kilomètres de long fournissant des flashs de rayons X, permettant de suivre en temps réel les dynamiques des électrons et des atomes après une excitation lumineuse.