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Les diatomées : une astuce pour diffracter les ondes de matière

ActualitéClassé sous :physique , onde de matière , nanotechnologie

Les expériences pour mieux comprendre le monde quantique sont souvent délicates et coûteuses. C'est le cas de celles portant sur des figures de diffraction obtenues avec des faisceaux moléculaires. Un groupe de chercheurs vient de montrer que la nature avait offert à l'Homme de tels réseaux de diffraction faciles à utiliser et bon marché : la paroi d'une algue microscopique, de la famille des diatomées.

Une figure de diffraction de faisceaux moléculaires formée de molécules de phtalocyanine, qui découle de l'aspect ondulatoire de la matière en physique quantique. Les impacts des molécules sur un écran sont visibles, car les molécules sont fluorescentes lorsqu'elles sont éclairées par un laser. L'originalité de cette expérience vient du fait que le réseau de diffraction utilisé est la paroi d'une algue diatomée. © Michele Sclafani

Lorsque Louis de Broglie a proposé, dans sa thèse de 1923, d'étendre la dualité onde-corpuscule de la lumière découverte par Einstein aux particules de matière comme les électrons, il s'est d'abord heurté au scepticisme de la communauté scientifique de l'époque. Einstein fut le seul à comprendre immédiatement l'importance de la théorie des ondes de matière, et l'a largement diffusée en la mentionnant dans ses propres travaux. C'est de cette façon qu'Erwin Schrödinger prit connaissance des idées de De Broglie, ce qui le conduisit à la découverte de sa fameuse équation.

Selon De Broglie et Schrödinger, on devait donc être capable de faire des expériences d’interférence et de diffraction avec des faisceaux d'électrons. C'est ce que prouvèrent en 1927 Davisson et Germer. De nos jours, on effectue des expériences de ce type avec des objets du monde atomique comportant de plus en plus d'atomes.

Expériences à la frontière entre mondes classique et quantique

L'une de ces expériences récentes a consisté à réaliser des interférences avec des faisceaux moléculaires formés de molécules de phtalocyanine, un colorant bleu-vert couramment utilisé. Environ un million de fois plus massives que l'électron, ces molécules sont fluorescentes lorsqu'elles sont éclairées par un laser. Elles peuvent donc être facilement détectées sur un écran pour observer des figures de diffraction et d'interférence, comme celles produites par un réseau avec de la lumière.

En cherchant à faire des expériences de ce type avec des objets moléculaires de plus en plus gros, les physiciens espèrent en apprendre plus sur les conditions qui font émerger le monde de la physique classique et celui de la physique quantique. Malheureusement, les réseaux employés jusqu'ici étaient difficiles à fabriquer et surtout coûteux. Il fallait avoir recours à la nanotechnologie.

De gauche à droite Clinton Davisson et Lester Germer. En 1927, ils effectuèrent des expériences de diffraction de faisceaux d'électrons qui confirmèrent la théorie des ondes de matière de Louis de Broglie et Erwin Schrödinger. Ils reçurent tous deux le prix Nobel de physique pour ce travail. © Wikimedia Commons, DP

Comme ils l'expliquent dans un article de New Journal of Physics, les physiciens Michele Sclafani, Markus Arndt et leurs collègues de l'université de Vienne ont eu une idée brillante. Ils ont démontré que des réseaux de diffraction capables d'agir sur des faisceaux moléculaires, peu coûteux et naturels, sont à portée de main sous la forme de diatomées. Ces algues marines unicellulaires sont entourées d'une paroi en silice, le frustule.

De la diffraction quantique sensible à la gravité

Dans leurs expériences, les physiciens ont utilisé Amphipleura pellucida, une algue qui peut être trouvée sur la plage. Sa paroi épaisse de 90 nm est criblée régulièrement de pores distants d'environ 200 nm. Au début, la figure de diffraction obtenue ne semblait pas conforme aux calculs théoriques. Mais les chercheurs ont fini par trouver des explications.

Tout d'abord, ils n'avaient pas pensé que la gravité n'était plus négligeable dans ce type d'expérience et c'est pourquoi ils obtenaient une figure de diffraction avec des caractéristiques en 1D au lieu des 2D attendues. Enfin, il semblerait que les forces de van der Waals entre les molécules du faisceau et celles de la paroi de l'algue au niveau des pores ne soient pas négligeables non plus, ce qui expliquerait d'autres anomalies.