ATTO-Québec: Sonder la dynamique électronique dans des systèmes moléculaires complexes par balayage moyen-infrarouge des photoélectrons

 

François Légaré

Institut national de la recherche scientifique [INRS]

 

Domaine :  nature et interactions de la matière

Programme projet de recherche en équipe

Concours 2018-2019

L'étude des phénomènes ultra-rapides au sein la matière mène à une compréhension unique des processus fondamentaux qui se produisent au niveau atomique. Les nombreux domaines scientifiques qui s'y intéressent, de la physique à la chimie et la biologie, ont comme dénominateur commun l'observation de la structure électronique à une échelle spatio-temporelle toujours plus précise pour mieux comprendre sa transformation.

Pour décrire l'évolution d'une molécule, deux degrés de liberté sont à considérer: le mouvement des électrons et celui des noyaux. D'un côté, les noyaux se meuvent sur des échelles temporelles de quelques femtosecondes (1fs=1x10^-15s) à quelques picosecondes (1ps=1x10^-12s). D'un autre côté, les électrons, beaucoup plus légers, ont des mouvements beaucoup plus rapides sur quelques attosecondes (1asec=1x10^-18s) à la dizaine de femtosecondes. Il y a donc une échelle de temps intermédiaire où les mouvements des électrons et des noyaux sont couplés.

Visualiser en temps réel le couplage entre ces deux degrés de liberté à l'échelle moléculaire est la clé pour comprendre la réactivité chimique. Un exemple est le fait que notre ADN puisse absorber la lumière ultraviolette (UV) émise par le soleil et dissiper efficacement cette énergie en retournant à la structure électronique fondamentale. C'est l'œuvre de ce couplage électrons/noyaux, via des processus nommés vibroniques, au sein des biomolécules qui assure la vie sur Terre. Il va s'en dire qu'il est primordial de développer des métrologies permettant d'étudier ces phénomènes en temps-réel.

Aujourd'hui, il est possible de mesurer le mouvement des noyaux au-delà de la dizaine de femtosecondes : c'est la femtochimie. Plus récemment, la science attoseconde a émergé et permet d'étudier les mouvements électroniques de la dizaine d'attosecondes à une femtoseconde. En effet, l'état de l'art actuel en métrologie attoseconde, le balayage laser des photoélectrons ("attosecond streaking"), est limité à une fenêtre d'observation d'environ un demi-cycle optique laser, soit 1.33 fs à 800nm.

Nous proposons de mettre en place la première métrologie ayant une résolution attoseconde et une fenêtre allant à quelques dizaines de femtosecondes. Afin de réaliser cet ambitieux projet, nous allons (i) développer une source laser moyen-infrarouge (MIR) à grande longueur d'onde de demi-cycle optique de 7.5 à 20fs (F. Légaré), (ii) mettre en place le balayage des photoélectrons adapté à l'étude de dynamiques moléculaires complexes (J. B. Bertrand), et (iii) réaliser des simulations numériques d'envergure pour orienter et comprendre les expériences (A. D. Bandrauk). Des étudiants motivés seront recrutés et bénéficieront de grandes infrastructures incluant les sources de rayonnement à ALLS et les superordinateurs de Calcul Canada.

Cela permettra d'étudier des dynamiques impliquant un couplage noyaux/électrons, démarrées via la photoexcitation ou la photoionisation des électrons de cœur. Par exemple, pour la molécule de HBr, ce type de processus permet de promouvoir un électron de cœur vers une orbitale anti-liante menant à la dissociation de la molécule suivie de l'autoionisation du fragment Br. Cette dynamique est attribuable au couplage noyaux-électrons, comme bien d'autres réactions chimiques, et nous serons en mesure de les filmer et d'élucider l'importance des couplages vibroniques.