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Des atomes neutres accélérés par un champ électrique

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La logique élémentaire semble rendre impossible l'accéléreration d'un corps dépourvu de charge à l'aide d'un champ électrique. Mais ce n'est pas toujours vrai... Une équipe de chercheurs vient de le démontrer en faisant subir à des atomes d'hélium, avec un laser, une accélération 1014 fois supérieure à celle de la gravité terrestre.

L'expression de la force pondéromotrice dépend de la masse d'une particule mais pas du signe de sa charge. Protons et électrons sont donc attirés dans la même direction. Crédit : Wikipédia

On sait depuis les travaux de Charles Coulomb au XVIIIième siècle que, sous l'action d'un champ électrostatique, un corps chargé est soumis à une force qui peut le mettre en mouvement. La découverte des électrons et des ions a ensuite donné lieu à plusieurs dispositifs mettant en jeu des particules accélérées. Le dernier en date et le plus impressionnant est évidemment le LHC avec ses faisceaux de protons et d'ions lourds.

Normalement, des atomes neutres comme l'hydrogène et l'hélium ne sont pas sensibles à des champs électriques. En fait, on sait depuis longtemps que les choses sont un peu plus compliquées. En effet, les forces dites de Van der Waals sont bien d'origine électromagnétique et peuvent exister entre des molécules ou des atomes neutres, mais possédant un moment dipolaire induit.

On pouvait donc soupçonner qu'il était possible d'accélérer des atomes neutres sous l'action de certains champs électriques en modifiant les couches électroniques. Un groupe de chercheurs de l'Institut Max Born et de l'Institut de physique atomique et d'optique en Allemagne vient effectivement d'accélérer des atomes d'hélium neutres à l'aide d'une série d'impulsions laser.

Un champ électrique oscillant très rapidement

Comme ils l'expliquent dans une publication récente dans Nature, les chercheurs sont parvenus à ce résultat étonnant, porter des atomes d'hélium à une accélération 1014 fois supérieure à celle de la gravité terrestre, en utilisant ce qu'on appelle une force pondéromotrice.

Ce genre de force est produit par un champ électrique oscillant dans le temps mais aussi rapidement variable dans l'espace. De façon surprenante, qu'une particule soit chargée positivement ou négativement, elle subit alors une force proportionnelle au carré du gradient du champ électrique. Cet effet non linéaire peut donc devenir particulièrement fort si l'on sait produire un gradient spatial assez élevé et il est bien connu des physiciens travaillant dans le domaine des plasmas.

Pour accélérer des atomes d'hélium, l'idée est de produire des forces électriques tout juste capables de ioniser un atome d'hélium de sorte que l'électron arraché se recombine rapidement avec l'ion d'hélium pour former un atome de Rydberg. Pendant ce bref laps de temps, des forces pondéromotrices peuvent exister et le résultat final est qu'en moyenne, les atomes d'hélium neutre subissent une force effective considérable.

D'après les chercheurs, ce phénomène remarquable pourrait servir à déposer de manière efficace des atomes sur une surface pour constituer des matériaux doués de propriétés optiques intéressantes.