Physiciens observent pour la première fois des collisions individuelles d'atomes lors de la diffusion

Dr. Michael Hohmann, premier auteur de l'étude (Photo : privé)

L'image montre une cellule à vide, avec laquelle les physiciens réalisent leurs expériences. (Photo : AG Widera)

La diffusion est un processus que la recherche définit comme la propagation uniforme de très petites particules dans un gaz ou un liquide. Bien que ces milieux soient constitués de particules individuelles, la diffusion est perçue comme un processus continu. Les effets d'une seule collision entre particules, qui constitue la base de la diffusion, n'ont jusqu'à présent pas été observés. Pour la première fois, des physiciens de Kaiserslautern et Erlangen ont pu observer et décrire théoriquement les étapes fondamentales de la diffusion d'atomes individuels dans un gaz. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée renommée Physical Review Letters.

Il y a presque 200 ans, le médecin et chercheur écossais Robert Brown observa le mouvement brownien des pollen dans un liquide. De la même manière que la poussière de fleurs se disperse, de très petites particules, comme des molécules ou des atomes, se répartissent dans les gaz et les liquides. Lors de ces mouvements, les particules entrent en collision, formant un motif de mouvements en zigzag, ce qui permet aux différentes substances de se mélanger. Ces mouvements sont appelés « mouvement brownien » en science, et la propagation et le mélange de différentes substances sont désignés comme la diffusion.

« La diffusion est d'une grande importance dans de nombreux domaines et constitue la base de nombreux processus de transport, par exemple dans les cellules vivantes ou dans les stockages d'énergie », explique le professeur Dr. Artur Widera, qui mène des recherches sur la physique quantique d'atomes individuels et de gaz quantiques ultrafroids à l'Université technique de Kaiserslautern (TU). « Une compréhension des processus de diffusion est donc essentielle dans presque tous les domaines des sciences de la vie, des sciences naturelles et jusqu'au développement technologique. »

Une compréhension simple de la diffusion en science est possible si l'on néglige les collisions entre particules. « Dans ce contexte, nous parlons aussi d'un milieu continu, dans lequel une particule plus grande, comme du pollen, diffuse par exemple. Cette simplification est d'autant plus valable que la masse des particules dans le milieu est petite et que la fréquence des collisions est élevée », explique le Dr Michael Hohmann, premier auteur de l'étude et collaborateur scientifique du professeur Widera. Un exemple de la vie quotidienne est le brouillard. Il peut être considéré comme un tel milieu, même s'il est constitué de minuscules gouttelettes d'eau individuelles.

Pour leur expérience, les physiciens autour de Widera ont modifié les conditions présentes dans un milieu continu : « Nous avons utilisé, à la place de grandes particules comme le pollen, des atomes individuels ayant presque la même masse que les atomes du gaz. De plus, nous avons utilisé un gaz très froid et fin pour réduire drastiquement la fréquence des collisions », explique Hohmann. Pour la première fois, les chercheurs de Kaiserslautern ont observé la diffusion d'atomes de césium dans un gaz d'atomes de rubidium, presque au zéro absolu. « À ces températures, un réfrigérateur ne fonctionne plus. Nous avons refroidi et piégé les atomes dans un appareil à vide à l'aide de faisceaux laser. La diffusion a été ainsi considérablement ralentie, permettant d'observer des étapes individuelles de la diffusion », explique le professeur Widera dans la description de l'expérience.

Pour la modélisation théorique de cette expérience, les chercheurs de Kaiserslautern ont été assistés par leur collègue, le professeur de physique théorique Dr. Eric Lutz de l'Université Friedrich-Alexander d'Erlangen-Nuremberg (FAU), qui a contribué à l'élaboration du modèle mathématique. « Avec ce nouveau modèle, nous pouvons mieux décrire le mouvement des atomes », indique le chercheur d'Erlangen.

Ensemble, ils ont pu démontrer qu'il suffit de modifier le facteur de frottement dans le calcul théorique du modèle continu. De cette façon, il est également possible de décrire des cas où, comme dans l'expérience mentionnée, il ne s'agit pas d'un milieu continu. Cela est notamment le cas dans les fines couches d'air de l'atmosphère supérieure, dans l'espace interstellaire ou dans la technologie du vide, lorsque des aérosols, un mélange de particules en suspension, se propagent.

Les découvertes des chercheurs peuvent par exemple être utiles pour mieux comprendre la propagation des aérosols dans l'atmosphère ou celle des gaz dans les systèmes sous vide.

Les éditeurs de la revue Physical Review Letters saluent cette étude comme un travail particulièrement intéressant et digne d'intérêt, et la publient en tant que Suggestion de l'éditeur : « Atomes traceurs individuels dans un gaz dilué ultrafroid. » DOI : https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.263401

En complément de la publication, un article en anglais est disponible dans le journal en ligne « Physics » : https://physics.aps.org/articles/v10/76