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L'effet Doppler rotationnel moléculaire enfin observé

ActualitéClassé sous :physique , Largeur Doppler d'une raie spectrale , effet Doppler

Par Laurent Sacco, Futura

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Ce n'est pas la première fois que l'on observe un effet Doppler dans le spectre des molécules mais c'est la première fois que l'on met en évidence la partie liée à la rotation de la molécule sur elle-même. Cette première mondiale a été possible grâce à la ligne de lumière Pleiades du synchrotron Soleil.

Christian Doppler (1803-1853). © Wikipédia, domaine public

C'est le 25 mai 1842, à l'Académie royale des sciences de Bohème, que Christian Doppler a présenté un mémoire ayant pour titre Sur la lumière colorée des étoiles doubles et d'autres étoiles du ciel. Le physicien autrichien y expliquait l'influence de la vitesse d'un objet sur la fréquence de la lumière qu'il émettait pour un observateur au repos. Bien que contenant plusieurs erreurs, l'article avançait une idée que l'expérience vérifiera et qui se révèlera d'une grande importance pour le développement de l'astrophysique et aujourd'hui la détection des exoplanètes.

Toutefois, ce n'est qu'en 1845 que le chimiste et météorologue hollandais Buys Ballot démontra expérimentalement ce qui est connu aujourd'hui sous le nom d'effet Doppler, mais avec le son. L'effet avec des ondes lumineuses fut quant à lui redécouvert expérimentalement par Hyppolyte Fizeau et c'est pourquoi on parle plus volontiers de l'effet Doppler en échographie et de l'effet Doppler-Fizeau en astrophysique.


Le synchrotron Soleil, cet instrument gigantesque, ouvre aux scientifiques les portes de l'infiniment petit. Il produit une lumière extrêmement puissante qui permet d'explorer le cœur de la matière. © Synchrotron Soleil-Dailymotion

Effet Doppler et rotations

Bien que l'effet Doppler-Fizeau soit très employé pour mesurer la vitesse des corps célestes, il se manifeste aussi à l'échelle des atomes et des molécules. Ainsi l'agitation thermique dans un gaz provoque un élargissement spectral des raies des atomes ou des molécules du gaz. Mais il s'agit à proprement parler d'un effet Doppler-Fizeau de translation. En théorie, le fait qu'un atome ou une molécule puissent être considérés comme des objets tournant sur eux-mêmes, sous réserve des restrictions aux images classiques imposées par la mécanique quantique dans le monde des atomes, doit donner naissance à un effet Doppler rotationnel.

On vient effectivement d'observer cet effet Doppler rotationnel dans le monde des molécules. C'est une équipe internationale de physiciens français, japonais, américains et finlandais, utilisant la  ligne de lumière Pleiades du synchrotron Soleil, qui a réussi pour la première fois à le mettre clairement en évidence. 

Les chercheurs ont pour cela utilisé une méthode dite de spectroscopie de photoélectron pour mesurer un élargissement spectral dans le spectre de l'énergie cinétique des électrons éjectés de molécules d'azote en rotation, comme ils l'expliquent dans un article publié dans la Physical Review Letters et sur le site du synchrotron Soleil.