Les scientifiques ont utilisé des rayons X intenses pour visualiser comment des lasers puissants font gonfler, fragmenter et perdre des électrons la molécule buckyball, C60. L'expérience, menée au SLAC National Accelerator Laboratory, révèle les étapes clés de la réponse moléculaire à différentes intensités laser. Les résultats mettent en évidence les lacunes des modèles actuels pour prédire le comportement moléculaire sous lumière extrême.
Des chercheurs de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, de l'Institut Max Planck pour la physique des systèmes complexes à Dresde et de l'Institut Max Born à Berlin, avec des collaborateurs internationaux, ont exposé le Buckminsterfullerène (C60) à des impulsions laser infrarouges puissantes. En utilisant des impulsions de rayons X ultracourtes du Linac Coherent Light Source (LCLS) au SLAC, ils ont capturé des motifs de diffraction en temps réel pour suivre la transformation de la molécule.
L'analyse s'est concentrée sur deux paramètres de la diffraction des rayons X : le rayon moléculaire moyen R, indiquant une expansion ou une déformation, et l'amplitude de Guinier A, qui se rapporte au carré du nombre effectif d'atomes diffusants et révèle la fragmentation.
À faible intensité laser, C60 s'étend d'abord sans rupture immédiate, comme en témoigne une augmentation initiale de R suivie d'une chute retardée de A alors que la fragmentation commence modestement.
À intensité intermédiaire, l'expansion précède une réduction du rayon dans les images, signalant une diffusion de fragments plus petits, corroborée par une baisse légèrement retardée de l'amplitude de Guinier.
À l'intensité la plus élevée, une expansion rapide se produit avec une chute immédiate de l'amplitude de Guinier au début de l'impulsion, indiquant un dépouillement rapide des électrons de valence externes. Les modèles théoriques reproduisent cet effet de 'coup de pied' mais échouent à prédire les comportements observés à des intensités plus faibles, comme l'absence d'oscillations dues aux mouvements de 'respiration' moléculaire. L'incorporation d'un chauffage ultrafast dans les modèles aligne mieux les prédictions sur les données, soulignant le besoin de traitements quantiques affinés de la dynamique multi-électrons dans les molécules complexes.
Ces insights, détaillés dans un article de Science Advances de 2025, font avancer la compréhension des réactions chimiques pilotées par la lumière et testent les processus quantiques dans les systèmes polyatomiques.