Une vue du piège à ions avec un atome de strontium isolé soumis à un faisceau laser. © David Nadlinger, University of Oxford

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Atome isolé : une photo des plus spectaculaires !

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Visualiser des atomes individuels est une prouesse réalisée depuis les années 1950. Mais celle, obtenue récemment, d'un atome de strontium isolé dans un piège à ions, réalisée par un physicien britannique est exceptionnelle et superbe.

Cela peut paraître très surprenant, mais en 1900, la majorité des scientifiques doutaient encore de l'existence des atomes et étaient plutôt d'accord avec le physicien et philosophe Ernst Mach et le futur prix Nobel de chimie Wilhelm Ostwald, également chimiste et philosophe. Tous deux considéraient l'hypothèse atomique au mieux comme un expédient commode pour dériver certaines lois de la chimie et de la physique, mais sans véritable réalité.

Pour beaucoup, le problème avec cette hypothèse était qu'elle leur semblait à tout jamais invérifiable et donc non scientifique puisqu'on ne pouvait pas, selon eux, avoir une preuve directe de l'existence des atomes. Ils étaient par définition trop petits pour être observés. La théorie atomique n'était donc pas une théorie scientifique puisque invérifiable par l'observation et, finalement, relevait plus de la métaphysique. Il est intéressant à cet égard de faire le parallèle avec l'histoire des trous noirs et peut-être aussi avec les travaux sur les supercordes, voire les multivers.

Les premières images d'atomes. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Penn State University

Des atomes de Perrin au microscope de Müller

Tout le monde n'était heureusement pas de cet avis. Albert Einstein, en particulier, allait justement fournir, via ses travaux sur la thermodynamique statistique et surtout sa théorie du mouvement brownien, une formule et un test pour démontrer l'existence des atomes. C'est le physicien français Jean Perrin qui mettra finalement les idées d'Einstein en pratique en 1908, ce qui lui vaudra le prix Nobel de physique en 1926. Wilhelm Ostwald rendit alors les armes et accepta l'existence des atomes.

Aujourd'hui, non seulement nous acceptons l'hypothèse des atomes, mais la théorie quantique nous permet de calculer, parfois avec une précision époustouflante, leurs propriétés. Il semble que nous ne soyons limités que par la puissance des ordinateurs pour effectuer ces calculs et le temps nécessaire pour les mener à bien. Une révolution est peut-être en marche à cet égard avec l'essor des travaux sur les ordinateurs et les calculateurs quantiques. Nous avons pu répondre également aux objections de Mach dans le sens où, depuis le milieu des années 1950, grâce aux travaux du physicien allemand Erwin Müller sur le microscope ionique à effet de champ, nous sommes capables d'observer des atomes individuels groupés dans des matériaux.

La distance entre les pointes d'aiguille est d'environ deux millimètres. Lorsqu'il est éclairé par un laser de couleur bleue-violette, l'ion de strontium piégé dans l'expérience absorbe et réémet des photons rapidement. Avec un appareil photo ordinaire, une pause longue accumule ces grains de lumière en observant à travers une fenêtre de la chambre à ultra-vide qui abrite le piège à ions. La petite tache colorée qui apparaît alors ne montre bien sûr pas la taille de l'atome mais elle signale spectaculairement sa présence. © David Nadlinger, University of Oxford

La photo d'un atome isolé n'est pas une première

En 2010, une équipe de chercheurs de l'université d'Otago en Nouvelle-Zélande a même réussi pour la première fois à former des images d'un seul atome isolé (voir l'article au bas de celui-ci). Il s'agissait d'un atome de rubidium 85 neutre dans un piège magnéto-optique.

L'image d'un atome de strontium isolé qui est en train de devenir virale en ce moment n'est donc pas une grande première mais il faut avouer qu'elle est spectaculaire et d'une qualité jamais encore atteinte. Elle provient d'un étudiant en thèse de l'université d'Oxford en Angleterre, David Nadlinger, travaillant dans le domaine des pièges à ions appliqués au domaine de l'information quantique. Elle lui a permis d'être le lauréat du concours de photographies scientifiques de l'Engineering and Physical Sciences Research Council, la principale agence britannique fondant les recherches scientifiques.

En l'occurrence, l'atome de strontium isolé est effectivement un ion. Un tel élément chargé peut être étudié individuellement avec des pièges de Penning ou de Paul, qui utilisent des combinaisons de champs électriques ou magnétiques. Cependant, ces dispositifs ne fonctionnent pas avec des atomes neutres. Ces pièges ont été notamment développés par les prix Nobel de physique d'origine allemande, Hans Dehmelt et Wolfgang Paul.

Le prix Nobel Hans Georg Dehmelt a fait avancer la physique en créant l'une des techniques permettant de piéger des ions et des particules isolées pour en étudier les propriétés. C'est lui qui a donné au piège de son invention le nom du physicien Frans Michel Penning. Les pièges à ions sont utilisés de nos jours pour étudier la faisabilité des ordinateurs quantiques ou encore les propriétés des antiprotons. © Mary Levin, University of Washington
Pour en savoir plus

Première photographie d'un atome neutre isolé !

Article de Laurent Sacco, publié le 06/10/2010

Alors qu'ils travaillaient sur des atomes de rubidium 85 piégés et refroidis à l'aide d'un piège magnéto-optique et d'un laserdes physiciens ont réalisé qu'ils pouvaient capturer et photographier un atome unique. C'est une première mondiale.

Depuis plus de 10 ans, notamment lorsque l'on a réalisé des condensats de Bose-Einstein en 1995, le domaine des atomes ultrafroids est particulièrement étudié de par le monde. Il faut dire qu'ils permettent de construire des horloges atomiques très précises pour tester des théories physiques fondamentales. Ils peuvent aussi servir de simulateurs quantiques pour étudier les transitions dans les superfluides ou encore à explorer des voies de réalisations d'ordinateurs quantiques.

Une image de l'atome de rubidium 85 dans son piège. © université d'Otago

Une découverte inattendue

Une équipe de chercheurs de l'université d'Otago en Nouvelle-Zélande, dirigée par Mikkel Andersen, était en train de piéger des groupes d'atomes de rubidium 85 neutres dans un piège magnéto-optique (le même que l'on utilise pour piéger des molécules de Rydberg) quand ils ont découvert, à leur grand étonnement, qu'ils pouvaient en fait isoler un seul atome dans le piège à l'aide d'un laser.

Remarquablement, il devenait alors possible, à l'aide d'une lentille asphérique à grande ouverture numérique, de former une image de cet atome neutre. L'ensemble n'avait jamais été fait auparavant, même si l'on savait déjà isoler avec un taux de réussite de 50 % environ certains atomes neutres.

De gauche à droite Tzahi Grünzweig, Matt McGovern, Andrew Hilliard et le chef de l'équipe, Mikkel Andersen, devant l'équipement laser qu'ils utilisent pour piéger des atomes neutres. © Stephen Jaquiery

Vers un ordinateur quantique performant ?

La performance est intéressante à plus d'un titre car les chercheurs travaillent maintenant à la possibilité d'établir une intrication quantique entre des atomes ainsi piégés. L'intrication entre atomes peut ne pas seulement servir à faire de la téléportation quantique. On sait en effet que si l'on arrivait à avoir un système d'au moins 30 atomes intriqués, et pourvu que l'on sache contourner le sempiternel obstacle de la décohérence quantique, on serait en présence d'un ordinateur quantique dont les performances dépasseraient celles des ordinateurs classiques jusqu'ici construits par l'Humanité.

On n'en est pas encore là, mais les chercheurs sont déjà capables de piéger 10 atomes de rubidium 85. On pourra trouver plus de détails sur ce qu'ont fait les physiciens du Laboratoire de physique atomique de l'université d'Otago dans un article récemment publié dans Nature.

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