Les électrons révèlent leur orientation dans des flashs attosecondes

Michael Keller

Pour la première fois, des chimistes de l’ETH Zurich ont réussi à utiliser des flashs lumineux rotatifs extrêmement courts pour mesurer et manipuler les différents mouvements des électrons dans des molécules à image miroir. Ils ont montré que la chiralité des molécules n’est pas seulement un phénomène structurel, mais aussi électronique.

Depuis notre enfance, nous savons tous que nos mains gauche et droite ont une structure identique, mais pas la même forme. Elles sont l’image miroir l’une de l’autre. Dans la vie quotidienne, cela signifie qu’un gant pour gaucher ne peut pas être porté à la main droite.

Cette « latéralité » est également une propriété fondamentale de la matière : à l’instar de nos mains, de nombreuses molécules existent en deux versions symétriques qui, bien que très similaires, ne sont en réalité pas identiques. Les chimistes appellent cela la chiralité.

La distinction entre les molécules chirales droitières et gauchères joue un rôle important en biologie, en chimie et dans l’industrie pharmaceutique. De nombreux éléments constitutifs de la vie, tels que l’ADN, les acides aminés et les protéines, sont chiraux et n’existent qu’en version droitière ou gauchère. Selon leur chiralité, les médicaments chiraux peuvent donc être efficaces, inefficaces, voire nocifs.

La chiralité est généralement considérée comme une propriété structurelle. « Récemment, cependant, de plus en plus d’éléments tendent à prouver que l’approche structurelle ne suffit pas pour comprendre pleinement les phénomènes chiraux », indique Hans Jakob Wörner, professeur de chimie physique à l’ETH Zurich.

Ce qui a jusqu’à présent peu intéressé les chercheurs, c’est la manière dont les électrons – les plus petits composants des atomes, rapides comme l’éclair – se déplacent différemment dans les molécules chirales, selon qu’elles sont gauchères ou droitières. Pour la première fois, une équipe de chercheurs dirigée par Hans Jakob Wörner a trouvé un moyen de visualiser et de manipuler en temps réel l’émission d’électrons par des molécules chirales. Les résultats viennent d’être publiés dans la revue externe Nature.

Processus à l’échelle de l’attoseconde

Wörner et son équipe ont étudié un effet fascinant qui se produit lorsque des molécules chirales sont irradiées par une lumière polarisée circulairement, c’est-à-dire une lumière qui tourne en spirale comme un tire-bouchon. Dans les tout premiers instants qui suivent l’excitation lumineuse, un électron est éjecté de la molécule. Le point essentiel ici est que, selon la chiralité de la molécule irradiée et le sens de rotation de la lumière, l’électron est émis soit dans le sens de propagation du faisceau lumineux incident, soit dans le sens opposé.

Dans leur étude, les chercheurs ont non seulement réussi à mesurer cet effet, connu sous le nom de dichroïsme circulaire photoélectronique (ou PECD), mais aussi à l’amplifier, à le manipuler dans le temps et même à l’inverser.

Cette mesure a été rendue possible grâce à un dispositif flash unique pour les électrons qui fonctionne avec une précision sans précédent : il crée des impulsions attosecondes polarisées circulairement, des flashs lumineux qui atteignent une résolution temporelle d’un milliardième de milliardième de seconde. C’est ce qu’il faut pour observer la dynamique des électrons à leur échelle de temps naturelle, l’attoseconde. Pour la première fois, la chiralité des mouvements des électrons dans ces impulsions lumineuses a été détectée grâce à leur propre sens de rotation.

En combinaison avec un faisceau de lumière infrarouge superposé dans le temps et également polarisé circulairement, les chercheurs ont non seulement pu mesurer la vitesse à laquelle un électron est éjecté d’une molécule chirale après excitation lumineuse, mais aussi manipuler la direction dans laquelle l’électron se déplace préférentiellement, en fonction de la chiralité de l’échantillon, du sens de rotation des faisceaux lumineux et de leur déphasage.

Recherche fondamentale avec un potentiel d’application

Ces résultats permettent d’adopter une nouvelle approche de la chiralité : « Nous ne comprenons plus la chiralité uniquement comme une caractéristique statique de la structure moléculaire, mais aussi comme le comportement dynamique des électrons dans les systèmes chiraux », ajoute Meng Han, ancien chercheur postdoctoral dans le groupe de Wörner et premier auteur de l’étude. La chiralité en tant que phénomène électronique contrôlable n’était auparavant que supposée, mais n’était pas accessible expérimentalement en raison de l’absence de la technologie nécessaire.

À l’avenir, les flashs attosecondes développés pourraient aider à déterminer la chiralité des agents médicaux avec une plus grande sensibilité et à clarifier des questions fondamentales concernant l’origine de la chiralité dans la vie.

Cette méthode ouvre également de nouvelles perspectives pour l’étude résolue en temps des processus chiraux au niveau électronique, ce qui pourrait conduire à des avancées dans le traitement de l’information, la spintronique, les machines moléculaires et la technologie des biocapteurs.

Han M, Ji JB, Blech A, Goetz RE, Allison C, Greenman L, Koch CP, Wörner HJ: « Attosecond control and measurement of chiral photoionization dynamics. » Nature, 27 August 2025. doi: 10.1038/s41586-025-09455-4