Explorer la relation quantique entre la dynamique électronique et nucléaire dans les molécules

Les chercheurs croient depuis longtemps que les mouvements des noyaux et des électrons au sein d’une molécule se produisent indépendamment. Cependant, une étude récente a remis en question cette hypothèse, révélant une relation étroite entre la dynamique des noyaux et des électrons à des échelles de temps ultrarapides.

À l’aide de lasers et de rayons X ultrarapides, des scientifiques du Laboratoire national d’Argonne, de l’Université Northwestern, de l’Université d’État de Caroline du Nord et de l’Université de Washington ont démontré l’effondrement de l’approximation traditionnelle de Born-Oppenheimer. L’équipe a publié ses résultats dans deux articles connexes dans Nature et Angewandte Chemie International Edition.

Les chercheurs ont découvert que le mouvement des noyaux au sein d’une molécule peut affecter le mouvement de ses électrons, connu sous le nom d’effet vibronique de spin. Ces vibrations peuvent alors modifier le spin de la molécule, une propriété quantique liée au magnétisme. Cette interaction joue un rôle crucial dans des processus tels que le croisement inter-systèmes, où une molécule change son état électronique en inversant l’orientation de son spin électronique.

L’observation directe de ce phénomène s’est avérée difficile en raison des échelles de temps rapides impliquées, mais l’équipe a utilisé des impulsions laser ultracourtes pour suivre le mouvement des noyaux et des électrons en temps réel. Ils ont découvert que l’effet spin-vibronique peut entraîner des croisements entre systèmes, fournissant ainsi de nouvelles informations sur le contrôle et l’exploitation des propriétés électroniques et de spin des molécules.

Les chercheurs ont conçu quatre systèmes moléculaires uniques avec des différences structurelles contrôlées pour étudier différents effets de croisement entre systèmes. Le mouvement vibratoire induit a modifié le paysage énergétique au sein des molécules, augmentant la probabilité et le taux de croisement entre les systèmes. De plus, l’équipe a découvert des états électroniques intermédiaires clés qui sont cruciaux pour le fonctionnement de l’effet vibronique de spin.

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Les résultats de cette étude ont des implications dans divers domaines, notamment la conversion de l’énergie solaire, la production d’énergie et la science de l’information quantique. En comprenant l’interaction entre la dynamique électronique et nucléaire, les scientifiques peuvent concevoir des molécules aux propriétés améliorées et explorer de nouvelles possibilités dans ces domaines.

Sources:

– Article Nature : https://www.nature.com/articles/s41586-021-03800-5
– Article de l’édition internationale de chimie appliquée : https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202107427