Dans une parabole célèbre, trois hommes aveugles rencontrent un éléphant pour la première fois. Chacun touche une partie – le tronc, l’oreille ou le côté – et conclut que la créature est un serpent épais, un éventail ou un mur. Cet éléphant, a déclaré Kang-Kuen Ni, est comme le monde quantique. Les scientifiques ne peuvent explorer qu’une cellule de cette vaste créature inconnue à la fois. Maintenant, Ni a révélé quelques autres à explorer.

Tout a commencé en décembre dernier, quand elle et son équipe ont mis au point un nouvel appareil capable de réaliser les réactions chimiques aux températures les plus basses de toutes les technologies actuellement disponibles, puis ont rompu et formé les liaisons les plus froides de l’histoire du couplage moléculaire. Mais leurs réactions ultra-froides ont également ralenti de manière inattendue la réaction à une vitesse lente, offrant aux chercheurs un aperçu en temps réel de ce qui se passe lors d’une transformation chimique. Maintenant, bien que les réactions soient considérées comme trop rapides pour être mesurées, Ni a non seulement déterminé la durée de vie de cette réaction, mais elle a résolu un mystère ultra froid dans le processus.

Avec la chimie ultra-froide, Ni, la professeure agrégée Morris Kahn de chimie et de biologie chimique et de physique, et son équipe ont refroidi deux molécules de potassium-rubidium juste au-dessus du zéro absolu et ont trouvé «l’intermédiaire», l’espace où les réactifs se transforment en produits, ont vécu pendant environ 360 nanosecondes (toujours des millionièmes de seconde, mais près d’un million de fois plus longtemps que ce qu’ils vivent dans des réactions à haute température). «Ce n’est pas le réactif. Ce n’est pas le produit. C’est quelque chose entre les deux », a déclaré Ni. Regarder cette transformation, comme toucher le côté d’un éléphant, peut lui dire quelque chose de nouveau sur le fonctionnement des molécules, le fondement de tout.

Mais ils ne se sont pas contentés de regarder.

«Cette chose vit si longtemps que maintenant nous pouvons vraiment jouer avec… avec la lumière», a déclaré Yu Liu, un étudiant diplômé de l’École supérieure des arts et des sciences et premier auteur de leur étude Publié dans Physique de la nature. «Des complexes typiques, comme ceux d’une réaction à température ambiante, avec lesquels vous ne pourriez pas faire grand-chose, car ils se dissocient si rapidement en produits.»

Comme les faisceaux tracteurs Star Trek, les lasers peuvent piéger et manipuler des molécules. En physique ultra-froide, c’est la méthode idéale pour capturer et contrôler les atomes, les observer dans leur état fondamental quantique ou les forcer à réagir. Mais lorsque les scientifiques sont passés de la manipulation des atomes à la manipulation des molécules, quelque chose d’étrange s’est produit: les molécules ont commencé à disparaître de la vue.

«Ils ont préparé ces molécules, dans l’espoir de réaliser la plupart des applications qu’ils promettent – la construction d’ordinateurs quantiques, par exemple – mais ce qu’ils voient est plutôt une perte», a déclaré Liu.

Les atomes alcalins, comme le potassium et le rubidium Ni et l’étude de son équipe, sont faciles à refroidir dans le régime ultra-froid. En 1997, des scientifiques ont remporté un prix Nobel de physique pour le refroidissement et le piégeage des atomes d’alcali dans la lumière laser. Mais les molécules sont plus imprudentes que les atomes: elles ne sont pas simplement restées inactives, a déclaré Liu, elles peuvent tourner et vibrer. Lorsqu’elles étaient piégées ensemble dans la lumière laser, les molécules de gaz se cognaient les unes contre les autres comme prévu, mais certaines ont tout simplement disparu.

Les scientifiques ont émis l’hypothèse que la perte moléculaire résultait de réactions – deux molécules se sont heurtées et, au lieu de partir dans des directions différentes, elles se sont transformées en de nouvelles espèces. Mais comment?

«Ce que nous avons trouvé dans cet article répond à cette question», a déclaré Liu. «La seule chose que vous utilisez pour confiner les molécules est de tuer les molécules.» En d’autres termes, c’est la faute de la lumière.

Lorsque Liu et Ni ont utilisé des lasers pour manipuler ce complexe intermédiaire – le milieu de leur réaction chimique – ils ont découvert que la lumière avait forcé les molécules à quitter leur chemin de réaction typique et à en créer un nouveau. Une paire de molécules, collées ensemble en tant que complexe intermédiaire, peut être «photo-excitée» au lieu de suivre leur chemin traditionnel, a déclaré Liu. Les molécules alcalines sont particulièrement sensibles en raison de la durée de vie dans leur complexe intermédiaire.

«Fondamentalement, si vous voulez éliminer les pertes», a déclaré Liu, «vous devez éteindre la lumière. Vous devez trouver un autre moyen de piéger ces choses. Les aimants, par exemple, ou les champs électriques peuvent également piéger les molécules. «Mais tout cela est techniquement exigeant», a déclaré Liu. La lumière est simplement plus simple.

Ensuite, Ni veut voir où vont ces complexes lorsqu’ils disparaissent. Certaines longueurs d’onde de la lumière (comme l’infrarouge que l’équipe a utilisé pour exciter leurs molécules de potassium-rubidium) peuvent créer différents chemins de réaction – mais personne ne sait quelles longueurs d’onde envoient des molécules dans quelles nouvelles formations.

Ils prévoient également d’explorer à quoi ressemble le complexe à différentes étapes de la transformation. «Pour sonder sa structure», a déclaré Liu, «nous pouvons faire varier la fréquence de la lumière et voir comment le degré d’excitation varie. À partir de là, nous pouvons déterminer où se trouvent les niveaux d’énergie de cette chose, ce qui informe sur sa construction mécanique quantique.

«Nous espérons que cela servira de système modèle», a déclaré Ni, un exemple de la façon dont les chercheurs peuvent explorer d’autres réactions à basse température qui n’impliquent pas le potassium et le rubidium.

« Cette réaction est, comme beaucoup d’autres réactions chimiques, une sorte d’univers à part entière », a déclaré Liu. À chaque nouvelle observation, l’équipe révèle un petit morceau de l’éléphant quantique géant. Puisqu’il y a un nombre infini de réactions chimiques dans l’univers connu, il y a encore un très long chemin à parcourir.

Référence

Liu et al. (2020). Photo-excitation d’intermédiaires transitoires à vie longue dans des réactions ultra-froides. Physique de la nature. EST CE QUE JE: https://doi.org/10.1038/s41567-020-0968-8

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