Un laboratoire quantique dédié aux molécules
La spectroscopie quantique non destructive révèle les empreintes moléculaires
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Dans un article publié dans *Nature*, des chercheurs de l’université d’Innsbruck, en Autriche, ont présenté une nouvelle méthode quantique permettant d’étudier des molécules individuelles. En amplifiant, selon les principes de la mécanique quantique, la quantité de mouvement de recul générée par un seul photon absorbé, le groupe de recherche dirigé par Philipp Schindler a pu détecter et mesurer cette absorption au niveau d’un ion d’hydroxyde de calcium isolé.
Depuis des décennies, la lumière est utilisée pour comprendre les structures moléculaires de la matière. Un échantillon est irradié par de la lumière, et des mesures permettent de déterminer à quelles longueurs d’onde celle-ci est absorbée. Comme chaque molécule n’absorbe la lumière qu’à une longueur d’onde très spécifique en fonction de sa structure, le spectre d’absorption obtenu agit comme une empreinte moléculaire. Pour les molécules individuelles, cependant, ce signal est infiniment faible et pratiquement impossible à distinguer du bruit. Grâce à une astuce élégante issue de la physique quantique, l’équipe dirigée par Philipp Schindler, du département de physique expérimentale de l’université d’Innsbruck, a désormais réussi à mesurer le spectre d’une seule molécule d’hydroxyde de calcium.
L’idée de base s’inspire du traitement de l’information quantique. Dans une technique appelée « spectroscopie quantique logique », deux ions sont couplés par leur répulsion électrique : un ion moléculaire difficile d’accès et un atome auxiliaire facilement contrôlable se déplacent ensemble dans un piège à ions, échangeant ainsi des informations. De cette manière, des techniques initialement développées pour les ordinateurs quantiques peuvent être appliquées à des molécules qui seraient autrement difficiles à étudier avec des méthodes conventionnelles.
Mettre le chat de Schrödinger au travail
Lorsqu’une molécule absorbe un seul photon infrarouge, elle acquiert une infime quantité d’impulsion — normalement bien trop faible pour être mesurée directement. L’équipe d’Innsbruck parvient à atteindre la sensibilité nécessaire pour détecter l’absorption de photons individuels en utilisant comme détecteur un atome intriqué quantiquement. « L’intrication des particules dans ce qu’on appelle un état de "chat de Schrödinger" rend le système extrêmement sensible aux perturbations les plus infimes », explique Zhenlin Wu, auteur principal de l’étude. « Le minuscule recul du photon absorbé devient mesurable grâce à cet état du chat. »
Grâce à cette méthode, l’équipe de recherche a identifié une vibration moléculaire caractéristique — la vibration d’étirement O-H — de l’ion moléculaire d’hydroxyde de calcium à charge unitaire. Le spectre mesuré par le groupe correspond bien aux calculs théoriques effectués par des collaborateurs de l’université de Varsovie.
Une molécule sous la loupe quantique
L’un des principaux avantages de cette méthode est qu’elle est non destructive : l’ion moléculaire n’est ni détruit ni altéré chimiquement au cours de l’analyse. Elle permet ainsi de mesurer et de préparer des états quantiques pour une grande variété d’espèces moléculaires, ouvrant la voie à une spectroscopie précise de molécules complexes et à un large éventail d’applications dans les futures technologies quantiques.
Philipp Schindler a jeté les bases de cette recherche grâce à une bourse « Starting Grant » de l’ERC obtenue en 2020 pour ses travaux sur les systèmes quantiques complexes, dans le cadre desquels son équipe a développé des méthodes de contrôle des molécules polyatomiques dans des pièges à ions. Les recherches actuelles ont été financées, entre autres, par le Fonds autrichien pour la science (FWF), la Fondation Betty et Gordon Moore et l’Agence autrichienne de promotion de la recherche (FFG).
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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