04.08.2022 - Technische Universität Wien

Une molécule de lumière et de matière

En utilisant la lumière, on peut faire en sorte que les atomes s'attirent les uns les autres.

Pour la première fois, un état de liaison très particulier entre des atomes a été créé en laboratoire : Avec un faisceau laser, les atomes peuvent être polarisés de manière à être chargés positivement d'un côté et négativement de l'autre. Ils s'attirent alors mutuellement, créant un état de liaison très particulier, bien plus faible que la liaison entre deux atomes dans une molécule ordinaire, mais néanmoins mesurable. L'attraction provient des atomes polarisés eux-mêmes, mais c'est le faisceau laser qui leur en donne la capacité - en un sens, il s'agit d'une "molécule" de lumière et de matière.

En théorie, cet effet a été prédit depuis longtemps, mais les scientifiques du Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) de l'Université technique de Vienne, en coopération avec l'Université d'Innsbruck, ont réussi à mesurer cette liaison atomique exotique pour la première fois. Cette interaction est utile pour manipuler des atomes extrêmement froids, et l'effet pourrait également jouer un rôle dans la formation de molécules dans l'espace. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique "Physical Review X".

Charge positive et négative

Dans un atome électriquement neutre, un noyau atomique chargé positivement est entouré d'électrons chargés négativement, qui entourent le noyau atomique un peu comme un nuage. "Si l'on active un champ électrique externe, la répartition des charges se déplace un peu", explique le professeur Philipp Haslinger, dont les recherches à l'Atominstitut de la TU Wien sont soutenues par le programme START de la FWF. "La charge positive est légèrement déplacée dans une direction, la charge négative légèrement dans l'autre direction, l'atome a soudainement un côté positif et un côté négatif, il est polarisé."

La lumière n'étant qu'un champ électromagnétique qui change très rapidement, il est également possible de créer cet effet de polarisation avec de la lumière laser. Lorsque plusieurs atomes se trouvent les uns à côté des autres, la lumière laser les polarise tous exactement de la même manière - positive à gauche et négative à droite, ou vice versa. Dans les deux cas, deux atomes voisins tournent des charges différentes l'une vers l'autre, ce qui entraîne une force d'attraction.

Expériences avec le piège à atomes

"Il s'agit d'une force d'attraction très faible, il faut donc mener l'expérience très soigneusement pour pouvoir la mesurer", explique Mira Maiwöger de la TU Wien, premier auteur de la publication. "Si les atomes ont beaucoup d'énergie et se déplacent rapidement, la force d'attraction disparaît immédiatement. C'est pourquoi un nuage d'atomes ultrafroids a été utilisé."

Les atomes sont d'abord capturés et refroidis dans un piège magnétique sur une puce à atomes, une technique, qui a été développée à l'Atominstitut dans le groupe du professeur Jörg Schmiedmayer. Ensuite, le piège est désactivé et les atomes sont libérés en chute libre. Le nuage d'atomes est "ultra-froid" à moins d'un millionième de Kelvin, mais il a suffisamment d'énergie pour se dilater pendant la chute. Cependant, si les atomes sont polarisés avec un faisceau laser pendant cette phase et qu'une force d'attraction est ainsi créée entre eux, cette expansion du nuage atomique est ralentie - et c'est ainsi que la force d'attraction est mesurée.

Laboratoire quantique et espace

"Polariser des atomes individuels avec des faisceaux laser n'a fondamentalement rien de nouveau", explique Matthias Sonnleitner, qui a posé les bases théoriques de l'expérience. "L'élément crucial de notre expérience, cependant, est que nous avons réussi pour la première fois à polariser plusieurs atomes ensemble de manière contrôlée, créant ainsi une force d'attraction mesurable entre eux."

Cette force d'attraction est un outil complémentaire pour contrôler les atomes froids. Mais elle pourrait également être importante en astrophysique : "Dans l'immensité de l'espace, de petites forces peuvent jouer un rôle important", explique Philipp Haslinger. "Ici, nous avons pu montrer pour la première fois que le rayonnement électromagnétique peut générer une force entre les atomes, ce qui pourrait contribuer à éclairer sous un jour nouveau des scénarios astrophysiques qui n'ont pas encore été expliqués."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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