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Le photo-magnétisme naît d’un mouvement d’atomes qui entraîne le transfert d’électrons © Eric Collet, Institut de physique de Rennes (CNRS/université Rennes 1)

La photochimie, c’est-à-dire la science des réactions entraînées par la lumière, se heurte à un obstacle empirique de taille : la rapidité des processus à l’œuvre. Ainsi, le phénomène du transfert d’électrons – c’est-à-dire leur déplacement d’un atome à un autre – se trouve au cœur de multiples processus physiques, et il est quelquefois à l’origine du changement de propriétés magnétiques. Mais il n’est pas facile d’en reconstituer le déroulement exact, car il se déroule d’une manière extraordinairement rapide. Dans certains cas, changements électroniques et structuraux sur les atomes « receveur » et « donneur » d’électrons sont observés quasi-simultanément. D’où la question : sous l’effet de la lumière, le transfert d’électrons entre deux métaux a-t-il lieu d’abord, puis un changement de structure des atomes concernés ? Ou bien est-ce l’inverse ?

Pour résoudre ce problème de l’œuf et la poule à l’échelle de l’atome, une équipe pilotée par l’Institut de physique de Rennes (CNRS/université Rennes-1) a utilisé un laser à rayons X (X-FEL) situé à l’université de Stanford. « Il y a moins de cinq endroits dans le monde où ce type d’expérience peut être réalisé, explique le chercheur (CNRS) Marco Cammarata, premier auteur de l’article paru aujourd’hui dans Nature Chemistry, car c’est très lourd en termes d’instrumentation ». Seules des sources à rayons X de dernière génération, dites « lasers à électrons libres », permettent en effet d’observer en temps réel les électrons et les atomes qui composent la matière.

Ces machines de plusieurs kilomètres de long émettent des flashs de rayons X très courts. En outre, l’avantage des rayons X, c’est qu’ils sont « personnalisables » : une longueur d’ondes donnée est absorbée par un atome donné – une couleur pour tel métal, une autre pour tel autre. Cela n’est pas le cas lorsqu’on recourt à la lumière visible pour étudier ce même type de réactions photochimiques.

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L’équipe de l’expérience © M. Cammarata et E. Collet (IPR, université Rennes-1)

Pour l’expérience, l’équipe a utilisé des nano-cristaux d’atomes de fer et de cobalt liés par du carbone et de l’azote. Le résultat de l’exposition de l’ensemble à la lumière est déjà connu des physiciens : le transfert d’électrons de l’un à l’autre rendant l’ensemble magnétique, ainsi qu’un changement de configuration électronique et structurelle du cobalt.

La poule ou l’œuf d’abord ? L’équipe est parvenue à observer pour la première fois un phénomène atomique à l’échelle du dixième de millionième de millionième de seconde (soit 100 femtoseconde) ! Et à trancher cette question pour le système étudié : sous l’effet de la lumière, le changement de structure dans le cobalt entraîne un transfert d’électron à partir du fer. En d’autres termes, le changement structurel de l’atome précède l’échange d’électrons.

« Le débat était ouvert s’agissant de ces deux métaux, commente Marco Cammarata, mais on pensait plutôt que le déroulement était l’inverse de celui qu’on a observé, on a donc été un peu surpris ».Et de souligner que pour l’équipe, « l’aspect le plus intéressant de cette expérience, c’est que les données récoltées sont d’une précision suffisante pour être rapprochées de la théorie. Grâce à ces données, on peut espérer développer une théorie avec l’aide de collègues théoriciens, comme Miquel Huix-Rotllant de l’université de Marseille. Nous avons d’ailleurs obtenu un financement de l’Agence nationale de la recherche afin de travailler là-dessus durant quatre ans ».

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Ligne de lumière du laser à électrons libres, Stanford © M. Cammarata et E. Collet (IPR, université Rennes-1)

Il faudra en effet effectuer plusieurs aller-retours entre pratique et théorie. « Si une expérience permet de valider une théorie, on peut espérer que cette théorie permettra dans un deuxième temps de prévoir d’autres réactions photochimiques et d’imaginer des expériences pertinentes – par exemple, recourir à une autre longueur d’ondes pour induire plus efficacement le transfert de charge ou pour substituer un des ions métalliques. Autrement dit, il faut maintenant confronter ce résultat à d’autres expériences, puis à une théorie le cas échéant affinée ».

Une telle expérience revêt, à terme, un intérêt pratique : le développement d’une science du contrôle des matériaux par la lumière, capable par exemple de changer les propriétés magnétiques ou électroniques, voire de stocker de l’information à partir de photons.

Mais elle présente aussi un intérêt théorique indéniable. Ainsi, mieux comprendre les mécanismes de base des réactions photochimiques intéresse les chercheurs en quête des origines de la vie, là où se rencontrent lumière et molécules, sur Terre il y longtemps ou aujourd’hui, loin dans l’espace. Autant de domaines difficiles d’accès, et pour lesquels théorie et pratique doivent impérativement, pour avancer, se nourrir l’une l’autre.