La collision d'atomes individuels entraîne un double changement du moment cinétique

Professeur Widera (à droite) et Felix Schmidt étudient des systèmes quantiques. (Photo : Koziel/TUK)

Grâce aux nouvelles technologies, il est désormais possible de capturer des atomes individuels, de les déplacer précisément ou de modifier leur état. Des physiciens de Kaiserslautern travaillent également avec ces techniques. Dans une étude récente, ils ont examiné les conséquences de la collision de deux atomes dans un faible champ magnétique à basse température. Pour la première fois, ils ont observé que les atomes, qui portent leur moment cinétique en paquets (quanta) individuels, échangent lors de cette collision deux paquets. Il a également été montré que la force d'interaction entre les atomes peut être contrôlée. Cela est intéressant, par exemple, pour étudier des réactions chimiques. Le travail a été publié dans la revue spécialisée Physical Review Letters.

Il y a encore quelques décennies, il était inimaginable pour le monde de la physique de réaliser des expériences avec des particules atomiques individuelles. Erwin Schrödinger, l’un des pères de la théorie quantique moderne, redoutait que cette idée entraîne des « conséquences ridicules » et la considérait comme aussi peu probable que de faire pousser un dinosaure Ichtyosaurus dans un zoo. Cependant, les progrès dans la technologie laser et la physique atomique rendent aujourd’hui possibles des expériences avec des atomes individuels.

À la Technische Universität Kaiserslautern (TUK), des physiciens, sous la direction du professeur Artur Widera et de son doctorant Felix Schmidt, s’y consacrent dans le cadre de l’enseignement sur les systèmes quantiques individuels. Ils utilisent un condensat de Bose-Einstein, composé d’atomes de rubidium. « En physique, cela désigne un état de la matière comparable aux états liquide et gazeux. Cependant, un tel condensat est un état quantique parfait, qui se comporte comme une onde », explique le professeur Widera. Ce condensat est comparable à un gaz constitué de très peu d’atomes.

Dans une étude récente, ils ont collaboré avec le professeur Eberhard Tiemann de l’Université Gottfried Wilhelm Leibniz de Hanovre pour étudier les effets lorsqu’un seul atome de césium rencontre un atome de rubidium. Pour observer ces particules, les chercheurs doivent d’abord les refroidir à des températures juste au-dessus du zéro absolu. « Ensuite, nous avons mis en contact les atomes à l’aide d’une pince optique », explique Felix Schmidt. Cette technique consiste à maintenir les atomes en place à l’aide de faisceaux laser. Les chercheurs ont ensuite introduit un seul atome de césium dans le gaz de rubidium pour mesurer ce qui se passe avant et après la collision des atomes.

Les physiciens ont observé comment le moment cinétique des particules change lors de la collision, en mesurant l’état de l’atome de césium avant et après l’impact. Le moment cinétique des particules dans les atomes se trouve en quelque sorte dans des paquets individuels — appelés quanta élémentaires. Ils ont constaté que lors d’une seule collision, les atomes peuvent échanger deux de ces quanta de moment cinétique simultanément. Jusqu’à présent, seul l’échange d’un seul paquet (quantum) avait été observé. « Cela n’est possible que parce que nous avons réalisé l’expérience dans un faible champ magnétique », explique Schmidt. De cette manière, l’énergie des atomes est si faible que l’interaction entre les composants individuels des deux atomes détermine principalement le résultat de la collision. « Cela permet également un transfert simultané de deux quanta élémentaires, ce qui entraîne un double changement du moment cinétique », poursuit le physicien.

De plus, les chercheurs ont observé un autre effet. « Le faible champ magnétique et l’énergie de mouvement réduite font que les atomes interagissent même à une distance mille fois supérieure à leur taille », poursuit Schmidt. En ajustant précisément la force du champ magnétique, il serait possible de contrôler cet effet. Ce phénomène est directement lié à un état moléculaire très grand et faiblement lié entre les deux particules. « Nous avons ainsi pu observer indirectement une molécule géante d’environ deux micromètres de taille », explique Schmidt.

Ces connaissances sur l’interaction entre particules à très basse énergie peuvent, par exemple, aider à étudier les liaisons dans les molécules. Ces dernières sont composées d’au moins deux atomes liés par des interactions. Cela pourrait notamment permettre de préparer et d’étudier des molécules très volumineuses.

Cette étude a été publiée dans la revue renommée Physical Review Letters : « Collisions d’atomes individuels à ultra-basses énergies. »
DOI : 10.1103/PhysRevLett.122.013401
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.013401

Répondez aux questions :

Prof. Dr. Artur Widera
Lehrgebiet Individual Quantum Systems
E-Mail : widera(at)physik.uni-kl.de
Tél. : 0631 205-4130

Felix Schmidt
E-Mail : schmidtf(at)physik.uni-kl.de
Tél. : 0631 205-5272

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