Qu’est-ce qu’une attoseconde ? Un physico-chimiste explique le court laps de temps derrière les recherches lauréates du prix Nobel

Un groupe de trois chercheurs a obtenu Prix ​​Nobel de physique 2023 Pour un travail qui a révolutionné la façon dont les scientifiques étudient l’électron – en éclairant les molécules avec des éclairs de lumière atos-secondes. Mais quelle est la durée d’une totoseconde et que peuvent dire ces impulsions extrêmement courtes aux chercheurs sur la nature de la matière ?

J’ai appris pour la première fois De ce domaine de recherche en tant qu’étudiant diplômé en chimie physique. Le groupe de directeurs de thèse avait un projet dédié à l’étude Réactions chimiques avec des impulsions attosecondes. Avant de comprendre pourquoi la recherche sur l’attoseconde a conduit au prix scientifique le plus prestigieux, il est utile de comprendre ce qu’est une impulsion lumineuse totoseconde.

Quelle est la durée d’une totoseconde ?

« Ato » est Préfixe de notation scientifique Ce qui représente 10⁻¹⁸, qui est un point décimal suivi de 17 zéros et d’un 1. Ainsi, un éclair de lumière d’une durée d’une attoseconde, ou 0,0000000000000000001 de seconde, est une impulsion lumineuse très courte.

En fait, il y a approximativement autant de totosecondes dans une seconde que de secondes dans Âge de l’univers.

Auparavant, les scientifiques pouvaient étudier le mouvement de noyaux atomiques plus lourds et plus lents en utilisant… Impulsions lumineuses femtosecondes (10⁻¹⁵). Mille totosecondes sont contenues dans 1 femtoseconde. Mais les chercheurs n’ont pas pu voir le mouvement à l’échelle électronique tant qu’ils n’ont pas pu générer des impulsions lumineuses de l’ordre de la totoseconde : les électrons se déplacent trop rapidement pour que les scientifiques puissent analyser exactement ce qu’ils font au niveau femtoseconde.

Impulsions attosecondes

Le réarrangement des électrons dans les atomes et les molécules dirige de nombreux processus en physique et constitue la base de presque toutes les parties de la chimie. C’est pourquoi les chercheurs ont déployé beaucoup d’efforts pour comprendre comment les électrons se déplacent et se réorganisent.

Cependant, les électrons se déplacent très rapidement lors de processus physiques et chimiques, ce qui les rend difficiles à étudier. Pour étudier ces processus, Les scientifiques utilisent la spectroscopieMéthode permettant d’examiner comment un matériau absorbe ou émet de la lumière. Avec un but Suivez les électrons en temps réelLes chercheurs ont besoin d’une impulsion lumineuse plus courte que le temps nécessaire aux électrons pour se réorganiser.

Par analogie, imaginez un appareil photo capable de prendre des expositions plus longues, environ une seconde. Les objets en mouvement, comme une personne courant vers la caméra ou un oiseau volant dans le ciel, apparaîtront flous sur les images capturées et il sera difficile de voir exactement ce qui se passe.

Imaginez ensuite que vous utilisez un appareil photo avec une exposition de 1 ms. Désormais, les mouvements précédemment étalés seront bien résolus en plans clairs et précis. C’est ainsi que l’échelle totoseconde, plutôt que l’échelle femtoseconde, peut être utilisée pour éclairer le comportement de l’électron.

Recherche automatique

Alors, à quels types de questions de recherche les impulsions attosecondes peuvent-elles aider à répondre ?

Premièrement, la rupture d’une liaison chimique est un processus fondamental dans la nature dans lequel les électrons partagés entre deux atomes se séparent en atomes non liés. Les électrons précédemment partagés subissent des changements ultra-rapides au cours de ce processus, et Impulsions attosecondes Il a permis aux chercheurs de suivre en temps réel la rupture des liaisons chimiques.

le Capacité à générer des impulsions attosecondes – Recherche menée par trois chercheurs Prix ​​Nobel de physique 2023 – Ce domaine est devenu possible au début des années 2000 Il a continué à croître rapidement depuis. En fournissant des instantanés plus courts d’atomes et de molécules, la spectroscopie attoseconde a aidé les chercheurs à comprendre le comportement des électrons dans des molécules uniques, par exemple comment La charge d’un électron migre Et comment Liaisons chimiques Entre les atomes, ils se brisent.

À plus grande échelle, la technique de l’attoseconde a également été appliquée pour étudier le comportement des électrons. Eau liquide à coté Transfert d’électrons dans les semi-conducteurs à l’état solide. À mesure que les chercheurs continueront d’améliorer leur capacité à produire des impulsions lumineuses attosecondes, ils acquerront une compréhension plus approfondie des particules fondamentales qui composent la matière.