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Matière

Des interférences de molécules filmées en temps réel

Pour la première fois, des physiciens ont enregistré en temps réel des figures d'interférence quantique créées par des molécules organiques contenant jusqu'à 114 atomes !

Le comportement ondulatoire de la matière est souvent associé aux particules les plus petites, tels les photons - les particules de la lumière - ou les électrons. Mais la dualité onde-corpuscule découverte par le physicien français Louis de Broglie peut être mise en évidence pour des objets plus importants en utilisant des dispositifs interférentiels. Cela vient d'être démontré de façon particulièrement claire pour en ensemble de particules complexes : une équipe internationale a créé une figure d'interférence de grosses molécules organiques, qui démontre la dualité quantique entre onde et particule.

La lumière a été tantôt considérée comme particule ou onde en fonction des époques et des expériences. En 1803, le Britannique Thomas Young mit en évidence sa nature ondulatoire avec l'élégante expérience des fentes qui portent son nom. Un siècle plus tard, Albert Einstein expliquait l'effet photoélectrique sur la base d'une nature corpusculaire de la lumière. Les travaux de de Broglie en 1923 ont permis de concilier ces conceptions contradictoires. Ainsi, une longueur d'onde est associée à chaque objet, qui est d'autant plus petite que l'élément est massif. Il est donc difficile de voir les effets ondulatoires sur les objets les plus lourds. Les physiciens explorent cependant la dualité onde-corpuscule de la matière sur des éléments de masse de plus en plus élevée, en utilisant un dispositif proche de celui des fentes de Young pour former des figures d'interférence.

Dans l'expérience de 1803, deux fentes étroites situées côte à côte sont éclairées par un faisceau de lumière ; un écran placé derrière les fentes restitue la figure d'interférence : une série de bandes lumineuses et sombres, ou franges, qui correspondent à des régions où l'intensité varie de zéro au maximum en fonction du déphasage des ondes lumineuses provenant des deux fentes. De façon étonnante, si on reproduit cette expérience photon par photon, l'accumulation des points d'arrivée des particules produit la même figure d'interférence. En 1961, le physicien allemand Claus Jönssen créa des interférences d'électrons en utilisant le principe des fentes de Young. En 1976, la même expérience était réalisée en construisant la figure d'interférence électron par électron.

Jusqu'où peut-on explorer les grandes échelles et mettre en évidence le comportement ondulatoire de particules, d'atomes ou de molécules de plus en plus massives ? Ce type d'expérience a été réalisé avec succès sur des atomes de sodium et même des fullerènes C60 - des molécules organiques en forme de sphère. Une équipe internationale de physiciens de Vienne, Tel-Aviv, Karlsruhe et Bâle a mis au point un nouveau dispositif permettant d'obtenir des interférences pour des molécules massives.

Markus Arndt et ses collègues ont utilisé un réseau ultrafin - un ensemble de fentes parallèles fondé sur le même principe que les fentes de Young - ainsi qu'un dispositif optique pour réaliser l'image de chaque molécule et la localiser sur l'écran avec une précision de dix nanomètres. Ils ont utilisé des molécules organiques, la phtalocyanine et l'un de ses dérivés, dont les masses respectives sont de 514 et 1 298 unités de masse atomique (le fullerène C60 a 720 unités de masse atomique). Les particules sont d'abord évaporées grâce à un laser choisi avec précaution afin de ne pas surchauffer les molécules, qui pourraient alors se décomposer. Les molécules passent ensuite par le réseau, fait en céramique (SiN).

Le pas du réseau est un paramètre crucial, car il détermine la distance entre les franges d'interférences. Il doit être suffisamment petit - 100 nanomètres - pour que les franges soient bien séparées. Un second problème concernant les réseaux est leur épaisseur. Les molécules de phtalocyanine sont électriquement neutres pour éviter des interactions avec la céramique, mais des moments dipolaires au sein des molécules créent des interactions de Van der Waals qui altèrent les interférences. Plus le réseau est épais, plus l'interaction est importante. L'équipe de physiciens est parvenue à réduire l'épaisseur du réseau à dix nanomètres. Après avoir traversé le réseau, les molécules arrivent sur une plaque en verre éclairée par un laser, ce qui permet de former une image enregistrée par une caméra CCD ultrasensible. Les physiciens obtiennent en quelques minutes une figure d'interférence de ces molécules, qui met en évidence leur comportement ondulatoire. Ce dispositif pourrait être utilisé pour des molécules encore plus massives et ainsi explorer la dualité onde-corpuscule à des échelles toujours plus grandes.

Pour La Science

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