Combien d'atomes faut-il pour bloquer suffisamment la lumière au point de voir apparaître une « ombre » ? Un seul suffit.
L'imagerie par absorption permet, entre autres, de mesurer la densité des gaz, avec des applications en astrophysique ou dans l’étude des condensats de Bose-Einstein. Les propriétés du milieu sont déduites de l'analyse de la lumière absorbée pendant la traversée. Mais combien d’atomes au minimum sont nécessaires pour utiliser cette technique ? Une équipe de physiciens australiens de l’Université Griffith, dirigée par David Kielpinski, a montré qu’un seul atome suffit.
L’imagerie par absorption repose sur un principe simple : l’objet d’étude est placé entre une source de lumière et un capteur. Celui-ci enregistre l’ensemble des photons qui ne sont pas absorbés et diffusés par l’objet. Le paramètre clé est le contraste entre le point le plus sombre de l’image et le plus brillant. Si le nombre d’atomes de l'objet est faible, peu de photons sont absorbés, et le contraste est faible. Ceci est d’autant plus important que la probabilité d’absorption d’un photon par un atome est en général très faible. Un grand nombre d’atomes permet de compenser cette contrainte : un objet dense donne un bon contraste.
De nombreuses équipes ont étudié les limites de cette technique avec un nombre réduit d'atomes, voire un seul. En 1987, David Wineland, de l’Institut américain des normes et de la technologie (NIST) à Boulder, réalise la première mesure par absorption d’un ion unique. En 2008, une équipe du Centre pour les techniques quantiques de Singapour atteint un contraste de l’ordre de 20 pour cent. Dans les deux cas, l’ion ou l’atome étaient éclairés par un laser, et une photodiode mesurait la quantité de lumière totale en présence ou en l'absence de la particule.
D. Kielpinski et son équipe ont modifié le dispositif de ces expériences précédentes pour produire une véritable image, ce que ne permettait pas la photodiode. Ils ont placé un ion d’ytterbium dans un « piège de Paul », formé par un champ électrique quadripolaire à haute fréquence. Un refroidissement par laser permet d’abaisser la température du système à quelques millikelvins et ainsi de limiter les mouvements de l’ion. La source lumineuse, focalisée en une tache de 4,8 micromètres de diamètre, a été choisie avec une longueur d’onde de 369,5 nanomètres, fréquence absorbée par l’ytterbium 174. Une variation infime de la longueur d’onde rend l’ion transparent à la lumière. Après le passage de l’ion, la lumière est focalisée par une lentille de Fresnel sur un capteur CCD refroidi à -40 °C. En fonction de l’intensité lumineuse, le temps d’exposition est compris entre 0,05 et 1 seconde.
Chaque pixel du capteur CCD agit comme une petite photodiode et l'ensemble permet de créer une image, « l’ombre de l’ion ». Il s'agit d'une tache centrale entourée de cercles engendrés par la diffraction, que l’on peut assimiler à l’ombre de l’atome. Le contraste est de l’ordre de trois pour cent. La taille de la tache et la valeur du contraste sont en parfait accord avec un modèle dit semi-classique de la diffusion de la lumière par un atome isolé.
Cette bonne compréhension du phénomène permet d’envisager d’utiliser ce dispositif pour de l’imagerie en rayons X ou ultraviolets dans des conditions optimales. Dans le cadre de l’étude de protéines par exemple, les photons de haute énergie peuvent endommager la structure de la molécule. Le dispositif de l’équipe de D. Kielpinski permettrait de réduire la quantité de lumière au minimum pour avoir le meilleur contraste possible tout en limitant les dégâts occasionnés sur la protéine.
