Un nouveau type de couplage intramoléculaire

Les niveaux d’énergie moléculaires peuvent être modifiés par diverses interactions internes, souvent subtiles. Dans le cas du radical CH₃CO, une équipe de chercheuses et chercheurs de l'Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay (ISMO) et du laboratoire Physique des lasers, atomes et molécules (PhLAM) vient de mettre en évidence un couplage jusqu’ici jamais observé entre le spin d’un électron non apparié et la rotation interne d’un groupe méthyle (CH₃). Ce couplage, dit de spin-torsion, modifie sensiblement l’agencement des raies du spectre rotationnel de la molécule en introduisant de petits déplacements caractéristiques, liés à cette interaction inédite.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay (ISMO, CNRS / Université Paris-Saclay)
• Physique des lasers, atomes et molécules (PhLAM, CNRS / Université de Lille)

CH₃CO est une molécule de type « à couche ouverte », c’est-à-dire possédant un électron célibataire. De telles espèces présentent généralement des raies spectrales dédoublées à cause de l’interaction entre le spin de l’électron et la rotation globale de la molécule. Mais ici,  l’influence du mouvement de torsion du groupe méthyle sur le spin est également mise en évidence. Pour caractériser cette interaction, les chercheuses et chercheurs ont analysé sous haute résolution le spectre rotationnel de CH₃CO enregistré dans les domaines millimétrique et submillimétrique à l’aide de techniques expérimentales récemment développées.

L’identification de 275 transitions rotationnelles a révélé des dédoublements de raies incompatibles avec les modèles théoriques usuels. En affinant leur approche, les scientifiques ont formulé un modèle inédit, intégrant ce nouveau type d’interaction, qui permet de reproduire les données expérimentales avec une grande précision. Les constantes associées au couplage spin-torsion obtenues par ajustement se sont révélées cohérentes avec les prédictions théoriques fondées sur la structure électronique et les effets déjà connus du couplage spin-rotation, ce qui corrobore l’interprétation proposée.

Ce résultat ouvre la voie à l’étude d’autres molécules radicalaires non rigides présentant des mouvements internes de grande amplitude. Il permettra aussi d’améliorer les bases de données spectroscopiques utilisées en astrochimie pour la détection de ces espèces par radiotélescope. Le radical CH₃CO lui-même pourrait bientôt être identifié dans le milieu interstellaire, en complément de son cation CH₃CO⁺ déjà observé.