Peut-on voir des atomes se déplacer collectivement au sein d’une molécule ? La question, faisant intervenir nombre de concepts scientifiques complexes, pourrait pourtant avoir une réponse simple : oui, si nous pouvons zoomer suffisamment. Et pourtant, lorsqu’on arrive dans cet infiniment petit où la physique quantique prend le relais, tout est autrement plus difficile. Il a fallu des années de recherche et l’utilisation d’un laser à rayon X extrêmement puissant pour observer pour la première fois la danse de plusieurs atomes.
Ce phénomène étudié par des physiciens majoritairement issus d’universités allemandes est au cœur d’une étude publiée dans la revue Science. La tâche était ardue, car la physique quantique est dominée par le principe d’incertitude d’Heisenberg. Selon cette loi établie en 1927, il est impossible de mesurer à la fois la position et la vitesse d’une particule. En tout cas pas avec une précision extrême, et ce en raison de la nature des particules au niveau quantique, et pas à cause d’une quelconque limitation technologique. Concrètement, il est possible de dire où se déplace un atome au sein d’une molécule, ou de déterminer à quelle vitesse il se déplace. Mais il est impossible d’obtenir ces deux informations en même temps.
Les chercheurs se sont alors servis d’une installation unique à Hambourg : le Laser européen à électrons libres et à rayons X (European XFEL). Installé dans un tunnel souterrain de 3,4 kilomètres, il permet d’obtenir des mesures à l’échelle de l’atome. Ainsi, le laser fut fixé en direction d’une seule molécule de taille moyenne contenant 11 atomes, et a pris des photos pour capturer le mouvement de chaque atome qui la compose. C’est la première fois qu’une telle mesure a pu être faite sur une molécule de cette taille, jugée plus complexe pour une telle analyse. Longtemps, être témoin de ce mouvement était considéré comme impossible, surtout pour une molécule aussi grosse, et il a fallu plusieurs années d’observation pour y parvenir. Plus précisément, les scientifiques se sont servis d’une technique appelée « l’explosion de Coulomb ». Il s’agit d’un choc provoqué par le laser pour écarter les électrons autour des atomes. Désormais chargés, ils se repoussent les uns les autres avant de se reformer en la molécule d’origine, le tout en une fraction de trillionième de seconde (sans rentrer dans le détail mathématique, sachez que c’est extrêmement court).
Précision importante : la molécule était dans son état fondamental, c’est-à-dire avec un niveau d’énergie proche du point zéro, la plus faible énergie possible en physique quantique. Mais à laquelle les atomes vibrent tout de même légèrement. Ce sont ces vibrations qui ont pu être mesurées ici. Les chercheurs ont alors remarqué que les atomes vibraient tous de manière synchronisée, et sans s’arrêter, et ce malgré l’énergie du point zéro atteinte. Ce qui signifie que même dans un état où la molécucule serait complètement gelée, à une température proche du zéro absolu, les atomes continueraient de vibrer.
Science : https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu2637
