10 Oct Quand un ion rencontre un atome

La création d’une étrange molécule « à longue distance » met en lumière les réactions chimiques qui se déroulent près du zéro absolu.

Lorsque deux particules entrent en collision, elles s’envolent normalement dans des directions opposées, comme des boules de billard sur une table lisse. Mais lors d’une récente expérience de physique à l’Institut Weizmann des sciences, au lieu de s’envoler, les particules ont semblé s’engager dans une sorte de ballet de boules de billard après la collision. Les deux particules – l’une un atome et l’autre un ion, un atome doté d’une charge électrique – se sont comportées comme si elles étaient reliées l’une à l’autre par un long ressort invisible, se rapprochant puis s’éloignant l’une de l’autre dans un pas de deux répété.

Meirav Pinkas et le dispositif expérimental dans le laboratoire du professeur Roee Ozeri

« Nous avons d’abord découvert cette interaction surprenante entre un atome et un ion dans des simulations informatiques, mais nous n’avons été convaincus de sa réalité qu’après l’avoir observée dans des expériences réelles », explique Meirav Pinkas, doctorant, qui a dirigé ce projet de recherche dans le laboratoire du professeur Roee Ozeri au sein du Département de Physique des Systèmes Complexes de l’Institut Weizmann.

Meirav  Pinkas explique que l’objectif initial de cette expérience était d’observer de nouveaux effets quantiques. De nombreuses expériences antérieures avaient examiné les effets quantiques dans des collisions ultrafroides entre atomes ou entre ions, mais très peu avaient apparié des atomes et des ions, car l’exploration des interactions entre un atome et un ion est techniquement très difficile. Pourtant, ces interactions présentent un grand intérêt, notamment parce qu’elles éclairent la chimie à très basse température, celle qui se produit, par exemple, dans l’espace interstellaire. Le laboratoire du Prof. Ozeri est bien équipé pour relever le défi grâce à sa longue expérience de travail avec des atomes et des ions ultrafroids.

L’expérience conçue par Meirav Pinkas et son équipe a été réalisée dans des conditions ultrafroides : à des températures inférieures à un millikelvin, soit un millième de degré au-dessus du zéro absolu. Ces conditions ont été créées par refroidissement laser : aussi paradoxal que cela puisse paraître, le laser refroidit les atomes, ou les ions, en les frappant jusqu’à ce qu’ils soient presque gelés sur place. Une fois le dispositif refroidi, un seul ion du métal strontium, piégé au moyen d’un champ électrique, est exposé à un flux d’environ un demi-million d’atomes de rubidium. Lorsque l’ion de strontium entre en collision avec l’un des atomes de rubidium, les scientifiques peuvent détecter le résultat de la collision à l’aide d’un second laser.

Danse des particules en collision : Schéma montrant une trajectoire post-collision typique d’un ion et d’un atome lors de l’expérience. Les deux particules étaient au départ très éloignées l’une de l’autre, ont rebondi environ cinq fois après la collision, puis se sont éloignées l’une de l’autre

En règle générale, plus le système est froid, plus il est possible d’observer des phénomènes quantiques, qui se caractérisent par des niveaux d’énergie discrets ; ceux-ci se perdent dans le mouvement plus chaotique des particules qui accompagne le réchauffement. Le seuil quantique pour le système utilisé dans cette expérience se situe habituellement à environ un dixième de millionième de degré au-dessus du zéro absolu.

Mais la nouvelle découverte a été faite avant que cet état ultrafroid ne soit atteint, de sorte que le dispositif expérimental était encore relativement « chaud » : La température s’est d’abord située à un millionième de degré au-dessus du zéro absolu, puis a augmenté jusqu’à un millième de degré, sous l’effet de l’utilisation du piège à ions. La température était beaucoup trop élevée pour des observations de physique quantique, mais c’est la physique classique qui a créé la surprise. En effet, la danse particulière de la paire ion-atome observée lors de l’expérience pouvait être entièrement expliquée par des équations newtoniennes.

« Nous recherchions des effets quantiques et nous avons trouvé un effet de physique classique auquel nous ne nous attendions pas », explique Meirav Pinkas.

Les chercheurs ont compris qu’il se passait quelque chose d’inhabituel après avoir vérifié la propriété quantique de l’ion de strontium, appelée spin. Après la collision, le spin a continué à changer, ou dans le jargon scientifique, à « basculer », à un rythme beaucoup plus élevé que prévu, ce qui suggère que, contrairement aux attentes, l’ion est resté connecté d’une manière ou d’une autre à l’atome de rubidium. Les scientifiques ont alors réalisé que l’atome et l’ion, dans l’état d’interconnexion résultant de leur collision, formaient une sorte de molécule – de courte durée et caractérisée par une distance inhabituellement grande entre les deux composants, mais une formation qui se comportait néanmoins comme une molécule.

(g.d.) Prof. Ozeri, Pinkas and Dr. Nitzan Akerman. Ion and atom warm to one another

« Cela n’était pas censé se produire, car les deux atomes qui forment une molécule perdent de l’énergie au cours du processus et, dans notre système, cette énergie semblait ne pas avoir d’endroit où aller », explique Meirav Pinkas. « Mais nous avons trouvé une explication. L’énergie excédentaire est absorbée par le piège à ions qui, pendant un court instant, empêche l’atome et l’ion de se séparer après une collision. Pour reprendre l’analogie du billard, c’est comme si les côtés de la table de billard se courbaient vers le haut pour ressembler à un bol, empêchant temporairement les deux boules qui entrent en collision de s’envoler. »

L’équipe, qui comprenait également le Dr Or Katz, Jonathan Wengrowicz et Nitzan Akerman, a continué à appliquer les outils quantiques pour explorer la molécule de strontium-rubidium qu’elle avait créée. Par exemple, en modifiant l’intensité du champ magnétique dans le piège à ions, ils ont pu modifier le spin des particules et se demander comment cela affecterait la formation de la molécule. L’objectif ultime est de comprendre non seulement comment la molécule se forme, mais aussi comment elle peut être décomposée. « Nous voulons apprendre à contrôler précisément l’effet que nous avons découvert », explique Meirav Pinkas.

L’obtention d’un tel contrôle pourrait aider à transférer les nouvelles découvertes dans le domaine quantique. Il pourrait, par exemple, permettre de produire des effets quantiques à des températures plus élevées qu’aujourd’hui, ce qui serait utile pour l’étude de la chimie quantique, y compris les réactions chimiques qui ont lieu dans l’environnement ultrafroid de l’espace interstellaire. En fait, la réaction chimique la plus répandue dans l’espace interstellaire est la formation d’ions moléculaires par des collisions froides entre atomes et ions. Une autre orientation future potentielle consiste à utiliser les interactions ion-atome pour construire certains modèles physiques difficiles à produire autrement, par exemple des modèles de cristaux. Dans ces modèles, l’ion imiterait le noyau atomique et les atomes, le comportement des électrons entourant ce noyau. De tels modèles pourraient être utilisés dans la science des matériaux ou dans les études fondamentales de la matière.

Le Prof. Ozeri ajoute : « Ce sont des directions potentielles que nous pouvons envisager aujourd’hui, mais la beauté de toutes les nouvelles découvertes est qu’elles peuvent nous conduire sur des territoires entièrement inexplorés, d’une manière que nous ne pouvons même pas imaginer à l’heure actuelle ».

La Science en Chiffres

Les molécules ion-atome créées lors de l’expérience ont existé, en moyenne, pendant 1 microseconde (1 millionième de seconde).

Lorsque l’ion et l’atome ont rebondi l’un sur l’autre environ 5 fois après la collision dans l’expérience de l’Institut Weizmann, la distance entre eux était d’environ 30 nanomètres. En revanche, dans les molécules régulières maintenues ensemble par des liaisons chimiques, la distance entre les atomes est inférieure à 1 angström, soit 0,1 nanomètre.