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En vidéo : record de masse pour des interférences quantiques de molécules

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Connue depuis des lustres, la dualité onde-corpuscule est mise en évidence par l'apparition de franges d'interférence dans des expériences de diffraction. Obtenu d'abord avec des particules, le phénomène a été reproduit avec des atomes puis des molécules. Aujourd'hui, un film montre des franges d'interférence générées par une grosse molécule organique, la phtalocyanine, et visibles en microscopie optique. Un record qui éclaire la frontière entre le monde de la physique quantique et celui de la physique classique.

Louis de Broglie, le découvreur des ondes de matière. © Wikipédia-DP

C'est le Français Louis de Broglie qui le premier a eu l'idée que les particules de matière, comme l'électron ou le proton, devaient avoir un aspect ondulatoire associé. Inspiré par la théorie des photons d'Einstein, impliquant que les ondes électromagnétiques étaient aussi constituées de quanta d'énergie, il avait étendu à la matière la dualité onde-corpuscule mise en évidence dans le cas de la lumière par le père de la théorie de la relativité. Pour de Broglie, de même que des ondes lumineuses pouvaient se manifester sous forme de rayons lumineux, les trajectoires des électrons dans un tube de Crookes pouvaient cacher une dynamique ondulatoire sous-jacente. Il revint à Schrödinger de trouver l'équation gouvernant cette dynamique ondulatoire cachée et à Davisson et Germer de prouver que les ondes de matière de Louis de Broglie étaient bien réelles, en produisant des figures de diffraction avec un faisceau d'électrons en 1927.

Des décennies plus tard, les progrès de la technologie ont permis de réaliser des films montrant les impacts individuels d'électrons dans des expériences d'interférence et de diffraction. Ces vidéos exposaient de manière frappante la dualité onde-corpuscule des ondes de matière : l'accumulation de plus en plus dense d'impacts sur l'écran du dispositif faisait naître les franges d'interférences prédites par une théorie purement ondulatoire.

Des extraits du film ci-dessous réalisé avec la technique de microscopie en fluorescence montrant des franges d'interférences produites par un réseau de diffraction. Les franges mesurent environ 0,1 mm d'épaisseur. Ces extraits en temps réel correspondent pour les premières images à 2,20 minutes puis 40 (d) et enfin 90 (e). © Juffmann et al./Nature Nanotechnology

Des figures similaires ont été obtenues avec des photons. Dans les deux cas, aux limites expérimentales actuelles, électrons et photons sont des particules ponctuelles, contrairement aux protons et neutrons qui ont une extension spatiale. Néanmoins, il est possible d'obtenir des figures d'interférence et de diffraction avec des neutrons et des protons. Mieux, dès 1930, Stern et Estermann prouvaient qu'il était aussi possible de le faire avec des molécules d'hydrogène

Or, si le monde quantique est bien au fondement de la réalité physique, le monde classique à notre échelle ne lui ressemble pas. Comment et où s'effectue la transition entre les deux mondes, quantique et classique ? On peut invoquer un critère de taille : le monde quantique serait celui des objets aux dimensions d'atomes, le monde classique serait celui des objets formés d'un très grand nombre d'atomes. Mais ce critère a des limites. La supraconductivité est un phénomène foncièrement quantique et pourtant on l'observe aisément à l'échelle macroscopique.

Explorer la frontière entre mondes quantique et classique

Pour mieux explorer et comprendre ce passage du monde quantique au monde classique, avec par exemple le phénomène de décohérence, on peut expérimenter sur des objets qui, bien que microscopiques, sont tout de même de grande taille comparativement à un atome d'hydrogène. C'est sans doute l'une des raisons qui poussent les chercheurs depuis des années à tenter des expériences de diffraction et d'interférence avec des molécules de plus en plus grosses.


La vidéo en accéléré montrant les impacts individuels de molécules de phthalocyanine. © sn1pe352-YouTube

Un groupe de chercheurs vient justement de battre un record tout à la fois de taille et de masse avec des faisceaux moléculaires diffractés par un réseau. Comme il est exposé dans un article publié dans Nature Nanotechnology, ils ont obtenu des franges d'interférences avec des molécules de phthalocyanine, un colorant, et leurs dérivés. Les masses des molécules employées sont comprises entre 514 et 1.298 masses atomiques.

Le film a été réalisé à l'aide d'un microscope optique à fluorescence. On peut y voir l'arrivée de molécules individuelles et la formation de leurs impacts sur un écran, localisés à 10 nanomètres près. On remarque qu'ils se répartissent suivant les lois de la physique ondulatoire et l'on assiste à la formation des franges d'interférences. Elles deviennent de plus en plus nettes au cours du temps, tendant vers l'aspect continu de la physique classique de la diffraction des ondes par un réseau. Le réseau employé pour diffracter les ondes de matière a été tracé dans une membrane de nitrure de silicium de 10 nanomètres d'épaisseur.