rapport d'activités 2003-2008 - RQMP

Diffraction électronique femtoseconde :
filmer molécules et matériaux à l’échelle atomique
Chercheur : Bradley J. Siwick
Collaborateurs : Jom Luiten et Marnix van der Wiel (Eindhoven, Pays-Bas)
Étudiants : Chris Godbout, Robert Chatelain, Vance Morrison et Thana Ghunaim
Contact : Bradley J. Siwick; bradley.siwick@mcgill.ca; www.physics.mcgill.ca/~siwick/
Un des grands défis expérimentaux de la physique et de la chimie est d’obtenir une représentation en
temps réel des réactions chimiques et transitions de phases, par la résolution des mouvements des
atomes pendant la rupture et la création de liens chimiques ou encore, l’évolution de la configuration
atomique d’un matériau au cours des transitions de phases. La diffraction électronique femtoseconde
est une nouvelle technique expérimentale qui tente de répondre à ces questions en produisant des
« films moléculaires » de ces procédés microscopiques.
74 | RQMP | projets | Fabrication et caractérisation de nouveaux matériaux
On affirme couramment que la quasi-totalité de la chimie et
de la physique de la matière condensée peuvent être décrites
en termes de « déplacement et réarrangement » des atomes.
L’observation directe de ces mouvements requiert que nous
soyons en mesure d’acquérir de l’information structurelle au
cours de l’intervalle d’une seule période de vibration atomique
(~10 -13 s). Jusqu’à récemment, aucune technique expérimentale
n’a pu fournir à la fois les résolutions spatiale et temporelle
nécessaires à observer ces processus microscopiques.
La diffraction d’électrons femtoseconde, en combinant les
outils et techniques de la spectroscopie laser ultrarapide
avec ceux de la microscopie électronique, constitue une toute
nouvelle approche pour obtenir ces détails. Tout d’abord, une
impulsion laser ultracourte porte le système — molécule ou
matériau — dans un état excité, hors équilibre. À un intervalle
de temps contrôlé à la suite à cette excitation, une impulsion
électronique ultracourte est dispersée sur l’échantillon
et le patron de diffraction électronique est enregistré. Celui-ci
referme une grande quantité d’informations sur la configuration
atomique de l’échantillon à un instant précis. L’enregistrement
d’une série de schémas de diffraction à des intervalles précis
après l’excitation — à la façon d’un stroboscope — produira
un « film » de mouvements atomiques.
L’efficacité de cette approche a été vérifiée par l’étude de
la fusion, induite par laser, de l’aluminium polycristallin. Les
résultats, présentés à la figure ci-dessous, nous ont permis
de déterminer que l’aluminium fondait à partir de l’intérieur,
par un processus appelé « nucléation homogène », contrairement
au processus de fusion nucléée à la surface, qui est
plus courant. Le matériau est également surchauffé à 1,5 fois
la température de fusion normale avant que la transition de
phase ne se produise.
En collaboration avec un groupe de recherche d’Eindhoven
(Pays-Bas), nous étudions les approches utilisées par ces
« physiciens des particules » afin d’améliorer notre source
d’électrons. Nous envisageons une amélioration de 3 à 4 fois la
résolution actuelle, ce qui nous permettra d’aborder l’étude de
systèmes de complexité supérieure.
(a)
(c)
(b)
Résolution atomique de la fusion – (a) Patron de diffraction montrant la progression
de la transition polycristal-liquide dans l’Al. Les réarrangements structuraux
durent 3,5 ps (1 ps = 10 -12 s); (b) Structure cubique à face centrée de l’Al. La
couleur des atomes réfère à une distance donnée par rapport à l’atome central,
noir; (c) Spectre résolu dans le temps des espacements interatomiques, G(r,t), au
cours de la transition de phases.
Références
• “An Atomic-Level View of Melting Using Femtosecond Electron Diffraction”,
B.J. Siwick, J.R. Dwyer, R.E. Jordan et R.J.D. Miller,
Science 302, 1382 (2003).
• “A sub-100 fs electron source for single-shot ultrafast electron diffraction
in the 100 keV range”, T. van Oudheusden et coll,
J. Appl. Phys. 102, 093501 (2007).