Transformations ultra-rapides de molécules et de matériaux

Les lumières stroboscopiques ne sont pas utilisées uniquement en discothèques! Ces flashs de lumière brefs peuvent figer en apparence la position d'un danseur sur la piste mais aussi en décomposer le mouvement.

Des mesures stroboscopiques peuvent aussi être utilisées pour étudier les transformations ultra-rapides de molécules ou bien de matériaux. En effet, l'absorption de photons (le photon étant une énergie localisée spatialement et temporellement de lumière) peut modifier la distribution des électrons et ainsi briser des liaisons atomiques et même déstabiliser une structure moléculaire pour en stabiliser une nouvelle avec un état électronique associé. Cette réorganisation des atomes et des électrons constituant la matière est associée à un changement de propriétés ou de fonctions de celle-ci : couleur, conductivité, magnétisme et bien d’autres... De manière à pouvoir étudier ces mécanismes élémentaires il faut alors créer puis utiliser des flashs de lumière capables de décomposer ces mouvements électroniques et atomiques à l'échelle de temps de quelques dizaines de femto-secondes (on rappelle que 1 fs = 10-15 s) ; ceci s’obtient à l'aide de techniques complémentaires, dites d'absorption ou de diffusion de la lumière, sensibles à la structure électronique, atomique ou moléculaire de la matière.

Nous disposons à l'Institut de Physique de Rennes (du CNRS, Collegium Sciences des Propriétés de la Matière de l’Université de Rennes) de lasers femto-seconde et nous réalisons de façon complémentaire des expériences basées sur les rayons X à l'aide de synchrotrons et X-FEL [1]. Les X-FEL sont des installations laser de plusieurs km de long capables de générer une succession de flashs de rayons X de 10 fs (Figure 1).

 

Ondulateurs ultra-puissants

Figure 1 : Au sein d’un X-FEL : des onduleurs puissants génèrent de l’alternatif et
excitent des électrons produisant ainsi le rayonnement laser X.

Ces dernières années nous avons obtenu des résultats spectaculaires permettant tout d’abord d'observer puis de comprendre les mécanismes de transformations moléculaires mais aussi de les contrôler. Nous nous sommes intéressés à la photo-commutation ultrarapide de molécules dites bistables, changeant d'état magnétique sous irradiation lumineuse. La stabilisation de l'état magnétique photo-induit résulte de l'activation et de l'amortissement d'un mode de ‘respiration’ de la molécule induit par l'absorption du photon. Nous avons pu reconstituer un film montrant la dynamique de la molécule (2 et lien vidéo) . Enfin, nous avons pu maîtriser la vitesse de transformation de la molécule en utilisant différentes longueurs d'ondes d'excitation : la transformation se réalise de manière plus rapide sous lumière rouge que sous lumière verte [3]. Ce type d'étude permet de contrôler par la lumière une panoplie de fonctions aux échelles de temps ultra-courts et donc de développer des processus de transformation encore plus rapides et plus efficaces [4] pour de futures applications.

Schéma et synoptique d’une dynamique de transformation magnétique à l’échelle moléculaire

Figure 2 : Schéma et synoptique d’une dynamique de transformation magnétique
à l’échelle moléculaire qui s’effectue en quelques femto-secondes ; cette
transformation a été mesurée plus rapide sous excitation optique de longueur
d’onde rouge que verte.

[1] Éric Collet, Marion Harmand, Marie-Emmanuelle Couprie, Marco Cammarata Reflets phys. N°44-45 (2015) 44-49

[2] H. T. Lemke, K. S. Kjær, R. Hartsock, T. B. van Driel, M. Chollet, J. M. Glownia, S. Song, D. Zhu, E. Pace, S. F. Matar, M. M Nielsen, M. Benfatto, K. J. Gaffney, E. Collet, Marco Cammarata

[3] S. Zerdane, L. Wilbraham, M. Cammarata, O. Iasco, E. Rivière, M.-L. Boillot, I. Ciofini, E. Collet 

[4] R. Bertoni, M. Lorenc, H. Cailleau, A. Tissot, J. Laisney, M.-L. Boillot, L. Stoleriu, A. Stancu, C. Enachescu, E. Collet.

Nature Materials 15, 606-610 (2016)

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Contact : Eric Collet, Roman Bertoni, Maciej Lorenc, Céline Mariette