08 Avr Un tourbillon dans une tasse à thé nanométrique
Des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences génèrent, pour la première fois, un faisceau tourbillonnaire d’atomes et de molécules.
Les tourbillons peuvent évoquer une image mentale de cyclones et de tornades – des masses d’eau et d’air en rotation – mais ils peuvent également exister à des échelles beaucoup plus petites. Dans une nouvelle étude publiée dans Science, des chercheurs de l’Institut Weizmann des Sciences, avec des collaborateurs du Technion – Institut israélien de technologie- et de l’Université de Tel Aviv, ont créé, pour la première fois, des tourbillons constitués d’une seule sorte d’atomes. Ces tourbillons pourraient aider à répondre à des questions fondamentales sur le fonctionnement interne du monde subatomique et être utilisés pour améliorer diverses technologies, par exemple en offrant de nouvelles possibilités aux microscopes atomiques.
Les scientifiques s’efforcent depuis longtemps de produire divers types de tourbillons à l’échelle nanométrique en laboratoire, en se concentrant récemment sur la création de faisceaux de tourbillons – des flux de particules ayant des propriétés de rotation – où même leur structure quantique interne peut être mise en rotation. Des tourbillons constitués de particules élémentaires, électrons et photons, ont été créés expérimentalement dans le passé, mais jusqu’à présent, les faisceaux tourbillonnaires d’atomes n’existaient qu’à titre d’expérience de pensée. « Au cours d’un débat théorique avec le professeur Ido Kaminer du Technion, nous avons eu l’idée d’une expérience qui générerait des tourbillons d’atomes uniques », explique Yair Segev, qui a récemment terminé ses études de doctorat dans le groupe du professeur Edvardas Narevicius du Département de Physique Chimique et Biologique de Weizmann.
(de gauche à droite) Alon Luski, le professeur Edvardas Narevicius et le Dr Yair Segev. Tourner autour du pot
En physique classique, les objets qui tournent sont souvent caractérisés par une propriété appelée moment angulaire. Semblable au momentum linéaire, il décrit l’effort nécessaire pour arrêter un objet en mouvement dans sa course, ou plutôt, pour l’empêcher de tourner. Les tourbillons – caractérisés par la circulation du flux autour d’un axe – incarnent parfaitement cette propriété dans leur rotation incessante.
Cependant, la propriété fondamentale du moment angulaire, qui caractérise les tourbillons naturels, grands et petits, prend une tournure différente à l’échelle quantique. Contrairement à leurs équivalents en physique classique, les particules quantiques ne peuvent pas prendre n’importe quelle valeur de moment angulaire ; elles ne peuvent prendre que des valeurs en portions discrètes, ou « quanta ». Une autre différence réside dans la manière dont une particule tourbillonnaire transporte son moment angulaire – non pas comme une hélice rigide en rotation, mais comme une onde qui coule et se tord autour de son propre axe de mouvement.
(À gauche) Exemple de conception d’une nano-grille avec des zones de transmission (noires) et de blocage (blanches) qui ont été utilisées pour façonner le faisceau supersonique d’hélium en tourbillons d’atomes d’hélium. (Droite) Image construite de tous les événements de collision capturés par la caméra. Les formes de « beignets » prouvent que les atomes ont été façonnés pour tourner en vortex après avoir traversé le réseau.
Ces vagues peuvent être formées et manipulées de la même manière que les brise-lames sont utilisés pour diriger le flux d’eau de mer près du rivage, mais à une échelle beaucoup plus petite. « En plaçant des obstacles physiques sur le chemin d’un atome, nous pouvons manipuler la forme de son onde sous différentes formes », explique Alon Luski, doctorant dans le groupe du Prof. Narevicius. A.Luski et le Dr Segev, qui ont dirigé les recherches avec Rea David de leur groupe, ont collaboré avec des collègues de l’université de Tel Aviv pour mettre au point une approche innovante permettant de diriger le mouvement des atomes. Ils ont créé des motifs de « brise-lames » nanométriques appelés réseaux – de minuscules disques en céramique de plusieurs centaines de nanomètres de diamètre, avec des motifs de fentes spécifiques. Lorsque les fentes sont disposées en forme de fourche, chaque atome qui les traverse se comporte comme une onde qui traverse un obstacle physique, acquérant ainsi un moment angulaire et émergeant sous forme de vortex en rotation. Ces « nano-fourches » ont été produites grâce à un processus de nanofabrication mis au point spécifiquement pour cette expérience par les docteurs Ora Bitton et Hila Nadler, tous deux du Département de Soutien à la Recherche Chimique de Weizmann.
Pour générer et observer les tourbillons atomiques, les chercheurs dirigent un faisceau supersonique d’atomes d’hélium vers ces grilles bifides. Avant d’atteindre les grilles, le faisceau passe par un système de fentes étroites qui bloque une partie des atomes, ne transmettant que les atomes qui se comportent davantage comme de grandes ondes – ceux qui sont mieux adaptés pour être façonnés par les grilles. Lorsque ces atomes « ondulés » interagissent avec les « fourches », ils se transforment en tourbillons, dont l’intensité est enregistrée et photographiée par un détecteur.
Il en résulte une image en forme de beignet construite à partir de millions d’atomes d’hélium en vortex qui entrent en collision avec le détecteur. « Lorsque nous avons vu l’image en forme de beignet, nous avons su que nous avions réussi à créer des tourbillons de ces atomes d’hélium », explique Y. Segev. Un peu comme l' »œil » du cyclone, le centre de ces « beignets » représente l’espace où chaque tourbillon atomique est le plus calme – l’intensité des ondes y est nulle, donc aucun atome ne s’y trouve. Les « donuts » sont l’empreinte digitale d’une série de faisceaux tourbillonnaires différents », explique le Prof. Narevicius.
Au cours des expériences, les chercheurs ont fait une observation étrange. Nous avons constaté qu’à côté des beignets de forme parfaite, il y avait également deux petites taches de « bruit » », explique Y.Segev. « Nous avons d’abord pensé qu’il s’agissait d’un dysfonctionnement du matériel, mais après une enquête approfondie, nous avons réalisé que ce que nous observons sont en fait des molécules inhabituelles, chacune composée de deux atomes d’hélium, qui ont été jointes ensemble dans nos faisceaux. » En d’autres termes, ils avaient généré des tourbillons non seulement d’atomes mais aussi de molécules.
Bien que les chercheurs aient utilisé de l’hélium dans leurs expériences, le dispositif expérimental permet d’étudier d’autres éléments et molécules. Il pourrait également être utilisé pour étudier des propriétés subatomiques cachées, telles que la distribution de la charge des protons ou des neutrons, qui ne peut être révélée que lorsqu’un atome tourne. Luski donne l’exemple d’une horloge mécanique : « Les horloges mécaniques sont constituées de minuscules engrenages et roues dentées, chacun se déplaçant à une certaine fréquence, de manière similaire à la structure interne d’un atome. Imaginez maintenant que vous prenez cette horloge et que vous la faites tourner – ce mouvement pourrait modifier la fréquence interne des engrenages, et la structure interne pourrait également s’exprimer dans les propriétés du vortex. »
En plus d’offrir une nouvelle façon d’étudier les propriétés très fondamentales de la matière, les faisceaux de vortex atomiques pourraient être utilisés dans plusieurs applications technologiques, comme la microscopie atomique. L’interaction entre les atomes en rotation et tout matériau étudié pourrait conduire à la découverte de nouvelles propriétés de ce matériau, ajoutant ainsi des données significatives, auparavant inaccessibles, à de nombreuses expériences futures.
Bien que les chercheurs aient utilisé de l’hélium dans leurs expériences, le dispositif expérimental permet d’étudier d’autres éléments et molécules. Il pourrait également être utilisé pour étudier des propriétés subatomiques cachées, telles que la distribution de la charge des protons ou des neutrons, qui ne peut être révélée que lorsqu’un atome tourne. Luski donne l’exemple d’une horloge mécanique : « Les horloges mécaniques sont constituées de minuscules engrenages et roues dentées, chacun se déplaçant à une certaine fréquence, de manière similaire à la structure interne d’un atome. Imaginez maintenant que vous prenez cette horloge et que vous la faites tourner – ce mouvement pourrait modifier la fréquence interne des engrenages, et la structure interne pourrait également s’exprimer dans les propriétés du vortex. »
En plus d’offrir une nouvelle façon d’étudier les propriétés très fondamentales de la matière, les faisceaux de vortex atomiques pourraient être utilisés dans plusieurs applications technologiques, comme la microscopie atomique. L’interaction entre les atomes en rotation et tout matériau étudié pourrait conduire à la découverte de nouvelles propriétés de ce matériau, ajoutant ainsi des données significatives, auparavant inaccessibles, à de nombreuses expériences futures.
Le dispositif expérimental de quatre mètres et demi de long commence par le faisceau supersonique d’atomes d’hélium dirigé vers les grilles fourchues nanométriques, qui génèrent des faisceaux de vortex atomiques qui sont ensuite capturés par le détecteur et photographiés.
La science en chiffres : Chacun des atomes d’hélium participant à l’expérience a été transformé en une onde tourbillonnaire d’un micron de diamètre, soit 10 000 fois plus grande que sa taille initiale.
