Les physiciens de Kaiserslautern modifient l'interaction atomique dans la matière ultrafroide

L'image montre un nuage ultrafroid d'atomes de rubidium (rouge) dans l'expérience à la TUK. (Photo : TUK/AG Ott)

Les physiciens de l'Université Technique de Kaiserslautern (TUK) sous la direction du professeur Dr. Herwig Ott ont réussi pour la première fois à modifier l'interaction entre deux atomes dans la matière ultrafroide à l'aide de ce que l'on appelle des molécules de Rydberg. Ces molécules, récemment découvertes, sont composées de seulement deux atomes dont le mécanisme de liaison ne peut pas être décrit par les modèles chimiques classiques. Elles possèdent des propriétés exceptionnelles telles qu'une longue distance de liaison. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée renommée « Nature Communications ».

Les interactions sont le bâtisseur fondamental de notre monde. Non seulement dans la vie sociale, mais aussi dans la matière qui nous entoure. Déjà au début du XXe siècle, le physicien Ernest Rutherford a constaté que même l'or est constitué à plus de 99 pour cent de vide. Ce n'est que grâce à l'interaction des particules individuelles que la matière devient ce qu'elle est. Elle assure que notre monde tient en son sein.

Cela ne s'applique pas seulement à notre monde quotidien, mais aussi au monde de la physique quantique. Pour étudier les phénomènes quantiques, les physiciens utilisent souvent des gaz atomiques ultrafroids. « Ici, les températures tournent autour du zéro absolu, environ -273 degrés Celsius », explique le professeur Dr. Herwig Ott, qui étudie à la TUK les gaz quantiques ultrafroids et l'optique atomique quantique. « Le comportement de ces gaz atomiques est déterminé par l'interaction entre les atomes. » Les experts parlent dans ce contexte aussi d'un processus de diffusion quantique. « Pour la science, ces gaz sont d'une grande importance dans l'étude des effets quantiques, car ces interactions peuvent être modifiées en laboratoire », poursuit le professeur.

Dans la matière qui nous entoure dans la vie quotidienne, ce n'est généralement pas le cas. « Les molécules d'eau dans un verre d'eau, par exemple, ont toujours la même interaction, et la question de savoir quelles seraient les propriétés de l'eau si les molécules d'eau s'attiraient deux fois plus fortement ne peut pas être répondue expérimentalement », explique le physicien.

Les chercheurs dirigés par le professeur Ott ont réussi pour la première fois à modifier l'interaction entre des atomes ultrafroids à l'aide de ce que l'on appelle des molécules de Rydberg. L'idée de l'expérience : deux atomes qui entrent en collision sont brièvement placés dans un état correspondant à une molécule à l'aide d'un faisceau laser. « Cela leur permet de passer plus de temps ensemble », explique le professeur. « Cela modifie le processus de diffusion quantique entre les deux atomes, et donc aussi l'interaction entre eux. »

Dans l'expérience, les chercheurs de Kaiserslautern ont pu observer cela : ils ont « construit » une molécule de Rydberg à partir de deux atomes de rubidium. Ce type de molécule n'a été découvert que récemment. Il s'agit de molécules aussi grandes que des virus, mais composées uniquement de deux atomes. En général, les molécules composées de deux atomes sont beaucoup plus petites. Contrairement aux liaisons connues jusqu'à présent, où par exemple deux atomes partagent chacun un électron, ici un autre mécanisme est en jeu : un électron n'a qu'une liaison très faible avec le noyau atomique et se trouve sur une orbitale électronique externe, dans un état de Rydberg. Le deuxième atome subit alors une interaction quantique avec cet électron, ce qui crée une liaison faible entre les deux atomes.

« Ces molécules se caractérisent par une série de propriétés exceptionnelles », explique le professeur, « comme leur longueur de liaison extrême, pouvant atteindre plusieurs centaines de nanomètres, ainsi que leurs moments dipolaires électriques très élevés. » La science entend par là que les molécules peuvent posséder une charge positive et négative séparée dans l'espace.

Les résultats des chercheurs de Kaiserslautern permettent d'une part de modifier l'interaction dans presque tous les gaz ultrafroids. D'autre part, ils ouvrent de nouvelles possibilités d'application, comme le contrôle direct des interactions entre plusieurs particules. « Mais il est également possible d'induire à l'avenir des interactions avec des portées plus longues que celles possibles jusqu'à présent », cite le physicien comme autre exemple. « Cela pourrait permettre de réaliser de nouveaux états de la matière dans des gaz ultrafroids à l'avenir. »

L'étude a été publiée dans la revue spécialisée renommée « Nature Communications » : « Réalisation expérimentale d'une résonance optique de Rydberg dans un système à plusieurs corps quantiques » ; O. Thomas, C. Lippe, T. Eichert & H. Ott
DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-018-04684-w

Les travaux ont été financés par le centre de recherche en optique et sciences des matériaux, appelé OPTIMAS, par l'école doctorale « Materials science IN MainZ » (MAINZ), ainsi que par les deux programmes de recherche spéciaux « Condensed Matter Systems with Variable Many-Body Interactions » et « OSCAR - Open System Control of Atomic and Photonic Matter ».