Observer les mouvements ultra-rapides des atomes et des électrons

Les derniers travaux menés à l'Institut de physique de Rennes ouvrent la voie au développement d'une science du contrôle des matériaux par la lumière. Pilotée par Eric Collet, professeur de physique à l'Université de Rennes 1, et Marco Cammarata, chercheur du CNRS, une étude internationale démontre qu'il est possible de distinguer les dynamiques électroniques des mouvements atomiques à l'échelle du dixième de millionième de millionième de seconde dans un article publié ce lundi 7 décembre 2020 dans la revue Nature Chemistry,

La voie menant au photomagnétisme est un mouvement d'atomes induisant le transfert d'électron
  1. Le paradoxe de l'œuf et de la poule au niveau atomique
  2. Contrôler les matériaux par la lumière

Le paradoxe de l'œuf et de la poule au niveau atomique

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 international de scientifiques piloté par l’Institut de physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1) a utilisé un laser à rayons X (X-FEL) situé à Stanford.
Cet instrument de dernière génération permet d’observer en temps réel les électrons et les atomes qui composent la matière, une machine de plusieurs kilomètres de long fournissant des flashs de rayons X qui permettent de suivre en temps réel les dynamiques des électrons et des atomes après une excitation lumineuse.

Contrôler les matériaux par la lumière

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.

Outre l'Institut de Physique de Rennes, ces travaux impliquent 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).

Lire le communiqué sur le site du CNRS

Charge-transfer driven by ultrafast spin-transition in a CoFe Prussian blue analogue.
Marco Cammarata, Serhane Zerdane, Lodovico Balducci,Giovanni Azzolina, Sandra Mazerat, Cecile Exertier, Matilde Trabuco, Matteo Levantino, Roberto Alonso-Mori, James M. Glownia, Sanghoon Song, Laure Catala, Talal Mallah, Samir F. Matar, Eric Collet.
Le 7 décembre 2020, Nature Chemistry. DOI :  10.1038/s41557-020-00597-8