Nouvelle étude : des physiciens identifient les états d'énergie d'atomes individuels après une collision

Le professeur Herwig Ott (à gauche) et Philipp Geppert mènent des recherches à l'Université technique de Kaiserslautern sur les gaz quantiques ultrafroids et l'optique quantique des atomes. (Photo : Koziel/TUK)

Le professeur Herwig Ott (à gauche) et Philipp Geppert ont spécialement développé un microscope particulier, avec lequel ils ont mesuré directement les impulsions des atomes. (Photo : Koziel/TUK)

Les physiciens de l'Université technique de Kaiserslautern sous la direction du professeur Dr. Herwig Ott ont réussi pour la première fois à observer des collisions entre des atomes hautement excités, appelés atomes de Rydberg, et des atomes en état fondamental. La particularité : ils peuvent identifier précisément les états d'énergie de chaque atome. Jusqu'à présent, cela n'était pas possible. Pour cela, les chercheurs ont développé un microscope spécial, avec lequel ils ont mesuré directement les impulsions des atomes. Les processus observés sont importants pour la compréhension du plasma interstellaire et des plasmas ultrafroids produits en laboratoire. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée renommée « Nature Communications ».

Dans leur expérience, les physiciens ont utilisé une nuée d'atomes de rubidium, qui ont été refroidis à environ 100 microkelvin dans un vide ultra-haut – soit 0,0001 degré au-dessus du zéro absolu. Certains de ces atomes ont ensuite été excités à l'aide de lasers dans un état de Rydberg. « Ici, le électron le plus externe est amené sur des orbites très éloignées du noyau atomique », explique le professeur Herwig Ott, qui mène des recherches sur les gaz quantiques ultrafroids et l'optique quantique à l'Université de Kaiserslautern. « Le rayon orbital de l'électron peut dépasser un micromètre, et le nuage d'électrons devient plus grand qu'une petite bactérie. » De tels atomes hautement excités se forment également dans l'espace interstellaire et sont chimiquement extrêmement réactifs.

Lorsqu'un atome de Rydberg et un atome en état fondamental entrent en collision, il se produit une collision inélastique. « Ici, l'atome en état fondamental plonge profondément dans l'orbite de l'électron de Rydberg », poursuit-il. La dynamique moléculaire qui suit entre les deux atomes est très complexe et conduit à leur séparation, l'orbite de l'électron ayant changé.

« Lors de ce changement d'état, tant la quantité quantique principale que la quantité de mouvement angulaire de l'électron peuvent changer », explique Philipp Geppert, le premier auteur de l'étude. Il ajoute : « À partir de la distribution de ces états finaux, nous pouvons désormais acquérir de nouvelles connaissances sur les processus de collision atomique, où des distances nucléaires importantes ou faibles jouent un rôle. »

L'électron de Rydberg revient dans cet état final sur une orbite plus proche du noyau atomique. Une énergie est alors libérée. Celle-ci est transférée sous forme d'énergie cinétique aux deux atomes impliqués, qui s'éloignent dans des directions opposées en raison de la conservation de l'impulsion.

Ce mouvement peut désormais être observé avec un impulsomètre, que les scientifiques ont spécialement développé pour cette expérience. Le principe de base est assez simple : les atomes neutres sont ionisés par une impulsion laser et dirigés vers un détecteur sensible à la position à l'aide d'un faible champ électrique. Le point d'impact dépend de la vitesse initiale des atomes et donne ainsi leur impulsion. Le microscope peut résoudre les plus petites différences de vitesse, permettant d'identifier précisément les états finaux de chaque atome.

Ces découvertes aident à comprendre les processus atomiques fondamentaux dans le plasma. Il s'agit d'un mélange de différentes particules telles que des électrons, des ions, des atomes et des molécules. La recherche sur le plasma joue un rôle important, par exemple, pour étudier plus précisément l'interaction entre ces particules. Étant également présent dans l'espace, les résultats en laboratoire peuvent être pertinents pour l'astrophysique, afin de mieux comprendre, par exemple, les processus chimiques et physiques qui se déroulent dans le milieu interstellaire.

Les travaux de cette étude ont été réalisés dans le cadre du programme de spécialisation « Interactions géantes dans les systèmes de Rydberg », financé par la Deutsche Forschungsgemeinschaft. Ils ont été menés dans le cadre du centre de recherche OPTIMAS (Centre régional de recherche en optique et sciences des matériaux), qui est soutenu depuis 2008 dans le cadre de l'initiative de recherche du Land.

Les résultats des mesures ainsi qu'une description de la configuration expérimentale ont été publiés dans la revue renommée « Nature Communications » : « Redistribution de type diffusion dans les collisions modifiant l'état entre atomes de Rydberg et atomes en état fondamental » ; Philipp Geppert, Max Althön, Daniel Fichtner & Herwig Ott
https://www.nature.com/articles/s41467-021-24146-0
DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-021-24146-0

Questions répondues par :

Prof. Dr. Herwig Ott
Domaine de recherche : Gaz quantiques ultrafroids et optique quantique / TU Kaiserslautern
Tél. : 0631 205-2817
E-mail : ott@physik.uni-kl.de