Équipe de chercheurs de l'Université technique de Kaiserslautern déchiffre les mécanismes du transport d'énergie atomique dans le monde quantique

Nuclée d'atomes ultrafroids de rubidium, utilisées dans cette expérience : on voit la fluorescence produite lors de l'excitation laser. (Photo : AG Ott/TUK)

Le transport d'énergie entre les atomes et les molécules est à la base de toute vie. Il repose sur des forces interatomiques, la soi-disant interaction dipôle-dipôle. Le groupe de recherche du Prof. Dr. Herwig Ott à l'Université Technique de Kaiserslautern (TUK) a réussi à reproduire un tel mécanisme de transport dans un système désordonné. Pour cela, les chercheurs ont observé expérimentalement l'interaction quantique entre différents atomes de Rydberg. Ainsi, ils ont pu comprendre l'influence du désordre sur la distribution et la mobilité de l'énergie d'excitation entre les atomes. La revue scientifique « Nature Communications » a publié ces résultats.

Comment se déroule le transport d'énergie entre atomes et molécules est illustré par exemple par la photosynthèse : lorsqu'une lumière frappe une cellule, son énergie est d'abord absorbée par une molécule, puis transférée entre de nombreuses autres molécules désordonnées. Lorsque ce paquet d'énergie atteint enfin ce que l'on appelle le centre de réaction, il est stocké de façon permanente sous forme de transformation chimique.

Pour mieux comprendre de tels mécanismes de transport, l'équipe de recherche a choisi une approche expérimentale particulière et est entrée dans le régime quantique : « Nous avons surmonté plusieurs défis technologiques », explique Carsten Lippe, premier auteur de l'étude. « Cela se voit déjà dans les conditions nécessaires : à une pression ambiante environ 1000 fois plus faible que dans l'espace autour de la Station spatiale internationale (ISS), et à des températures proches du zéro absolu, certains atomes sont excités par irradiation laser et mis dans un état de Rydberg. Dans cet état, où un électron est placé sur une orbite très éloignée du noyau atomique, l'atome est environ 10 000 fois plus grand que dans son état normal. »

Grâce à cette taille gigantesque, un atome en état de Rydberg est très sensible à d'autres tels atomes et permet ainsi d'étudier expérimentalement les interactions entre atomes, qui se produiraient autrement sur des échelles de longueur bien plus petites.

Dans le cadre de leur expérience, les chercheurs ont successivement créé deux types différents d'atomes de Rydberg à l'aide de systèmes laser variés et ont étudié le transport d'énergie entre eux. Ils ont rencontré des effets de la physique quantique qui contredisent notre conception quotidienne. « Classiquement, on peut imaginer un tel processus de transport comme un saut : l'énergie ou l'excitation saute d'une molécule à l'autre. En physique quantique, c'est différent en raison du principe de superposition : l'excitation peut par exemple sauter simultanément sur plusieurs molécules, ce qui permet un transport beaucoup plus efficace dans le système. On parle alors de transport cohérent », explique Ott.

Les chercheurs ont pu montrer que la proportion entre saut classique et transport cohérent peut être contrôlée dans l'expérience. Cela se fait par de minuscules modifications de la longueur d'onde du laser d'excitation utilisé. « Normalement, les effets de la physique quantique sont fragiles et disparaissent dès qu'il y a des perturbations, comme celles présentes dans le système actuel dues au désordre atomique dans le gaz », explique Thomas Niederprüm, qui a dirigé l'étude avec Ott. « Le fait que ces effets aient pu être observés dans cette étude peut aider à mieux comprendre d'autres systèmes complexes. La interaction entre atomes de Rydberg peut être transposée à d'autres domaines de la recherche actuelle, par exemple à l'absorption et au transport de la lumière dans les molécules lors de la photosynthèse. Des études récentes ont montré que, même dans la photosynthèse, des effets quantiques jouent un rôle important et que le transport d'énergie, malgré le désordre, se fait de manière étonnamment sans perte. »

Les travaux de cette étude ont été réalisés dans le cadre du programme de recherche spécial OSCAR (« Contrôle des systèmes ouverts de matière atomique et photonique »), dans lequel la TUK, en collaboration avec l'Université de Bonn, est soutenue par la Deutsche Forschungsgemeinschaft. Les résultats des mesures et des simulations, ainsi qu'une description de la configuration expérimentale, ont été publiés dans la revue de renom « Nature Communications » :

« Réalisation expérimentale d'un modèle de saut aléatoire en 3D » ; Carsten Lippe, Tanita Klas,
Jana Bender, Patrick Mischke, Thomas Niederprüm & Herwig Ott. L'article en anglais est accessible gratuitement.
DOI : doi.org/10.1038/s41467-021-27243-2

Questions répondues par :
Prof. Dr. Herwig Ott
Unité de Physique des Gaz Quantiques Ultra-Froids et d'Optique Quantuque / TU Kaiserslautern
Tél. : 0631 205-2817
Email : ott@physik.uni-kl.de