Comment les chercheurs provoquent des vibrations « interdites » dans des molécules isolées
Mesurer la même molécule à plusieurs reprises
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La possibilité de contrôler les excitations « interdites » des vibrations moléculaires pourrait servir de base à la mise au point d’horloges extrêmement précises, de bits quantiques et de tests rigoureux des lois fondamentales de la physique. Des chercheurs de l’Université de Bâle viennent de franchir une étape importante : ils ont identifié et contrôlé ces transitions « interdites » dans des molécules d’azote isolées, sans les détruire.
La lueur verte des aurores boréales provient d’un saut quantique que les physiciens qualifient d’« interdit ». Ce terme est quelque peu trompeur, car de telles transitions entre les niveaux d’énergie des atomes et des molécules ne sont pas impossibles, mais seulement extrêmement improbables. Ces excitations peuvent être plus d’un milliard de fois plus faibles que les transitions « autorisées » ordinaires.
Pourtant, c’est précisément cette faiblesse qui les rend si précieuses. Une transition interdite peut présenter une fréquence extraordinairement bien définie. Dans les atomes, ces transitions sont déjà à la base des horloges les plus précises d’aujourd’hui. Dans les molécules, dont les niveaux d’énergie sont bien plus complexes, elles sont restées très difficiles à détecter et à contrôler.
Aujourd’hui, une équipe de recherche dirigée par le professeur Stefan Willitsch, du département de chimie de l’université de Bâle, a identifié et contrôlé de manière cohérente de telles transitions dans des molécules individuelles piégées. Les résultats ont été publiés dans la revue *Nature Communications*.
Un ion calcium comme messager
L’équipe a étudié des molécules d’azote individuelles portant une charge électrique positive, appelées ions moléculaires. En 2014, le groupe de Stefan Willitsch avait été le premier à observer des vibrations interdites dans un ion moléculaire, mais la méthode de détection chimique utilisée à l’époque détruisait l’échantillon de molécules à chaque cycle de mesure.
« Pour atteindre la plus grande précision possible, il est bien préférable de mener des expériences sur des molécules individuelles, sans les perdre au cours du processus », explique Stefan Willitsch.
Pour y parvenir, les chercheurs ont eu recours à une technique appelée spectroscopie de logique quantique, dans laquelle un deuxième ion joue le rôle de messager. Ils piègent une molécule d’azote chargée isolée avec un atome de calcium chargé. La molécule d’azote n’émet pas de lumière que les chercheurs puissent détecter facilement, mais l’atome de calcium peut être amené à briller sous l’effet d’un faisceau laser.
Un laser soigneusement réglé ne met la paire en mouvement que si la molécule d’azote se trouve dans son état d’énergie le plus bas en termes de vibration et de rotation. En observant la réponse de l’ion calcium, les chercheurs obtiennent des informations sur l’état de la molécule d’azote sans le modifier.
Mesurer la même molécule à plusieurs reprises
Pour déterminer les fréquences lumineuses qui excitent les vibrations « interdites » de la molécule, l’équipe a fait varier la fréquence d’un autre laser. À la bonne fréquence, une impulsion laser excite la vibration, et une deuxième impulsion ramène la molécule à son état initial. Ce processus étant réversible, la même molécule peut être mesurée à plusieurs reprises.
« Il était essentiel de pouvoir utiliser la même molécule à plusieurs reprises. Cela a rendu possible la recherche de ces raies si faibles », explique le Dr Aleksandr Shlykov, premier auteur de l’étude. Ces raies spectrales indiquent les fréquences auxquelles la molécule absorbe la lumière.
En combinant les mesures effectuées sur plusieurs centaines de molécules préparées individuellement, l’équipe a identifié les différentes composantes de la transition. Cela leur a permis de déterminer la fréquence vibrationnelle fondamentale de la molécule avec une précision dix fois supérieure à celle des mesures précédentes.
Des horloges moléculaires à une nouvelle physique
Plusieurs de ces transitions étudiées devraient s’avérer remarquablement insensibles aux perturbations externes. Cette stabilité les rend utiles en tant que références précises pour la mesure du temps.
« Cela en fait des candidats très prometteurs pour les futures horloges moléculaires et les qubits », explique Stefan Willitsch.
La mesure précise des vibrations moléculaires pourrait également contribuer à vérifier les lois fondamentales de la physique. Les chercheurs pourraient par exemple vérifier si les masses des protons et des électrons restent constantes dans le temps.
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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