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Après les atomes de Rydberg, les molécules de Rydberg !

Le phénomène avait été pressenti par Enrico Fermi dès les années 1930 mais même le grand physicien italien n’avait pas envisagé qu’il serait un jour possible de réaliser en laboratoire de véritable molécules composées de ce que l'on appelle des atomes de Rydberg.

Sur cette image de synthèse, la hauteur des pics représente la probabilité de présence pour les électrons formant une molécule de Rydberg à partir de deux atomes de rubidium. Selon les prédictions des chercheurs, une telle molécule pourrait être de 500 à 50.000 fois plus grosse qu'un atome. On remarque que la densité de probabilité évoque ici la forme d'un trilobite. Crédit : Greene, Dickinson, and Sadeghpour, Physical Review Letters, 18 septembre 2000 Sur cette image de synthèse, la hauteur des pics représente la probabilité de présence pour les électrons formant une molécule de Rydberg à partir de deux atomes de rubidium. Selon les prédictions des chercheurs, une telle molécule pourrait être de 500 à 50.000 fois plus grosse qu'un atome. On remarque que la densité de probabilité évoque ici la forme d'un trilobite. Crédit : Greene, Dickinson, and Sadeghpour, Physical Review Letters, 18 septembre 2000

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Remontons en 1934, seulement quelques années après la formulation des principes de la mécanique quantique lors du célèbre congrès Solvay en 1927. Le dernier physicien universel se nomme alors Enrico Fermi et c’est un maître aussi bien en physique théorique qu’expérimentale. Ses contributions passées portent sur la relativité générale mais aussi sur la théorique quantique des champs. A ce moment, Fermi est en train de tourner ses réflexions du côté du noyau, des neutrons et de la radioactivité bêta. Il laisse donc de côté la physique atomique mais non sans ajouter quelques réflexions à ses travaux sur les couches électroniques des atomes. Il prédit alors qu’entre un atome de Rydberg et un atome normal, il doit exister un nouveau type d’interaction.

Rappelons qu’un atome de Rydberg est un atome possédant un électron célibataire externe tellement excité qu’il en est presque ionisé. L’électron célibataire tourne donc autour du noyau à une distance particulièrement grande relativement à la taille d’un atome normal et il devient presque possible de parler pour cet électron éloigné d’orbite au sens classique du terme.

Au cours des années 1970 et 1980, plusieurs physiciens théoriciens, dont Chris Greene, se rendent compte qu’il doit être possible de former de nouveaux types de molécules dans lesquelles l’un des atomes est précisément un atome de Rydberg, un phénomène que Fermi lui-même n’avait pas prévu même s'il découle très directement de son travail de 1934. Cela n’est guère étonnant. Très fragile, la liaison chimique potentielle découverte par Fermi est rapidement détruite par l’agitation thermique et seuls des atomes refroidis à des températures inférieures à -273°C, c'est-à-dire presque le zéro absolu, sont susceptibles de former des molécules de Rydberg.

De gauche à droite, Robert Oppenheimer, Enrico Fermi et Ernest Lawrence.Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory
De gauche à droite, Robert Oppenheimer, Enrico Fermi et Ernest Lawrence.Crédit : Lawrence Berkeley National Laboratory

Quel rapport avec le trilobite ?

On sait depuis seulement quelques années produire des atomes et des molécules ultrafroids et c’est pourquoi la réalisation et l’observation de ces molécules ont dû attendre les travaux de Vera Bendkowsky et ses collègues de l’université de Stuttgart.

Les chercheurs ont donc commencé par refroidir presque à 0 kelvin un gaz d’atomes de rubidium de sorte que les distances entre eux soient de l’ordre de 100 nanomètres en moyenne, ce qui reste grand par rapport à la taille des molécules ordinaires (une telle dimension représente plusieurs milliers de fois la taille d’un atome d’hydrogène). Sous l’action d’un faisceau laser, certains de ces atomes de rubidium sont alors suffisamment excités pour devenir des atomes de Rydberg. L’agitation thermique résiduelle de ces atomes est incapable de s’opposer à la formation temporaire de molécules de Rydberg. Mais ces dernières restent tout de même éphémères dans les conditions de l’expérience car elles ne survivent en moyenne que 18 microsecondes.

D’autres vérifications des prédictions concernant les molécules de Rydberg sont prévues dans un avenir rapproché. Les physiciens pensent en particulier à un cas assez amusant dans lequel la distribution des probabilités de présence des électrons formant la liaison entre deux atomes dans une molécule de Rydberg ressemble à la forme d’un trilobite, le célèbre animal de l’ère paléozoïque.


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