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Des champs électriques extrêmement importants peuvent empêcher les molécules d'ammoniac en forme de parapluie de s'inverser. – Newstrotteur

Une molécule d'ammoniac, NH3, existe généralement sous forme de parapluie, avec trois atomes d'hydrogène répartis dans un arrangement non plan autour d'un atome d'azote central. Cette structure de parapluie est très stable et devrait normalement nécessiter une grande quantité d’énergie pour être inversée.

Cependant, un phénomène de mécanique quantique appelé tunneling permet à l'ammoniac et à d'autres molécules d'habiter simultanément des structures géométriques séparées par une barrière d'énergie extrêmement élevée. Une équipe de chimistes comprenant Robert Field, le professeur de chimie Robert T. Haslam et Bradley Dewey au MIT, a étudié ce phénomène en utilisant un très grand champ électrique pour supprimer l'occupation simultanée de molécules d'ammoniac aux états inversé et normal.

"C'est un bel exemple du phénomène de tunneling, qui révèle une merveilleuse étrangeté de la mécanique quantique", a déclaré Field, l'un des auteurs principaux de l'étude.

Heon Kang, professeur de chimie à l'Université nationale de Séoul, est également l'auteur principal de l'étude, qui paraît cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences. Youngwook Park et Hani Kang de l'Université nationale de Séoul sont également les auteurs du document.

Suppression de l'inversion

Les expériences, réalisées à l'Université nationale de Séoul, ont été rendues possibles grâce à la nouvelle méthode des chercheurs consistant à appliquer un très grand champ électrique (jusqu'à 200 000 000 volts par mètre) à un échantillon pris en sandwich entre deux électrodes. Cet assemblage n'a que quelques centaines de nanomètres d'épaisseur et le champ électrique qui lui est appliqué génère des forces presque aussi fortes que les interactions entre molécules adjacentes.

"Nous pouvons appliquer ces champs énormes, qui ont presque la même magnitude que les champs que deux molécules expérimentent lorsqu'elles se rapprochent", a déclaré Field. "Cela signifie que nous utilisons des moyens externes pour fonctionner sur un pied d'égalité avec ce que les molécules peuvent faire elles-mêmes."

Cela a permis aux chercheurs d'explorer le tunneling quantique, un phénomène souvent utilisé dans les cours de chimie de premier cycle pour démontrer l'un des "fantômes" de la mécanique quantique, explique Field.

Par analogie, imaginez que vous faites de la randonnée dans une vallée. Pour atteindre la prochaine vallée, vous devez gravir une grande montagne, ce qui demande beaucoup de travail. Maintenant, imaginez que vous puissiez creuser un tunnel à travers la montagne pour vous rendre à la prochaine vallée, sans aucun effort réel requis. C’est ce que permet la mécanique quantique, sous certaines conditions. En fait, si les deux vallées ont exactement la même forme, vous serez simultanément situé dans les deux vallées.

Dans le cas de l’ammoniac, la première vallée est l’État-parapluie stable, à basse énergie. Pour que la molécule atteigne l'autre vallée – l'état inversé, qui a exactement la même énergie faible -, il faudrait classiquement qu'elle atteigne un état d'énergie très élevée. Cependant, de manière mécanique, la molécule isolée existe avec une probabilité égale dans les deux vallées.

En mécanique quantique, les états possibles d'une molécule, tels que l'ammoniac, sont décrits en termes d'un modèle de niveau d'énergie caractéristique. La molécule existe initialement dans la structure normale ou inversée, mais elle peut se connecter spontanément à l’autre structure. La quantité de temps requise pour que ce tunnel se produise est codée dans le modèle de niveau d'énergie. Si la barrière entre les deux structures est haute, le temps de tunneling est long. Dans certaines circonstances, telles que l'application d'un fort champ électrique, il est possible de supprimer les tunnels entre les structures régulières et inversées.

Pour l'ammoniac, l'exposition à un champ électrique puissant diminue l'énergie d'une structure et élève l'énergie de l'autre structure (inversée). En conséquence, toutes les molécules d'ammoniac peuvent être trouvées dans l'état d'énergie plus faible. Les chercheurs l'ont démontré en créant une structure stratifiée argon-ammoniac-argon à 10 kelvins. L'argon est un gaz inerte solide à 10 K, mais les molécules d'ammoniac peuvent tourner librement dans le solide d'argon. Au fur et à mesure que le champ électrique augmente, les états énergétiques des molécules d'ammoniac changent de telle sorte que les probabilités de trouver les molécules dans les états normaux et inversés deviennent de plus en plus éloignées et que les tunnels ne peuvent plus se produire.

Cet effet est complètement réversible et non destructif: à mesure que le champ électrique diminue, les molécules d’ammoniac reviennent à leur état normal d’être simultanément dans les deux puits.

Abaisser les barrières

Pour beaucoup de molécules, la barrière au tunnel est tellement élevée que ce ne serait jamais le cas pendant la durée de vie de l'univers, dit Field. Cependant, il existe des molécules autres que l'ammoniac qui peuvent être induites en tunnel par un réglage minutieux du champ électrique appliqué. Ses collègues s’emploient maintenant à exploiter cette approche avec certaines de ces molécules.

"L'ammoniac est spécial en raison de sa symétrie élevée et du fait qu'il s'agisse probablement du premier exemple jamais présenté par quelqu'un du point de vue chimique du tunneling", déclare Field. "Cependant, il existe de nombreux exemples dans lesquels cela pourrait être exploité. Le champ électrique, du fait de sa taille, est capable d’agir à la même échelle que les interactions chimiques réelles", offrant un moyen puissant de manipuler de manière externe la dynamique moléculaire.

La recherche a été financée par la Samsung Science and Technology Foundation et la National Science Foundation.

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