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Les atomes de Rydberg géants peuvent abriter des points de Lagrange

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Un groupe de physiciens vient de démontrer une nouvelle fois qu'il était possible de créer dans un atomel'analogue des orbites des astéroïdes troyens. Du moins dans des atomes de Rydberg de grande taille. Bien que les électrons ne soient pas l'équivalent des planètes en orbite dans le monde quantique, il existe bel et bien des situations qui sont à la limite d'être dans le monde classique.

Johannes Rydberg (1854-1919) était à l'origine un mathématicien suédois converti à la physique mathématique. Il découvrit en 1890 la célèbre formule portant son nom et qui sera précieuse à Niels Bohr pour sa découverte de son modèle atomique. © AIP Emilio Segre Visual Archives, W. F. Meggers Collection

Lorsque Bohr avait proposé son modèle atomique, il était conscient que les sauts quantiques entre les orbites des électrons dans l'atome étaient un défi aux images spatiales et temporelles issues de la vie à notre échelle. Les travaux de Heisenberg, rejetant la notion de trajectoire pour les électrons d'un atome, ne firent que renforcer la perplexité des chercheurs. Après tout, on observait bien la trajectoire d'électrons dans un tube de Crookes ou dans une chambre de Wilson.

Heisenberg et Bohr avaient répondu qu'à la limite des grands nombres quantiques, comme ceux caractérisant les principaux niveaux d'énergie d'un atome, on retrouvait pourtant par le calcul un comportement d'objets classiques d'autant plus net que l'on se rapprochait d'une taille macroscopique. On pouvait aussi montrer par le calcul qu'il existait une correspondance entre les équations du monde quantique et celle du monde classique.

Mais, fondamentalement, il fallait renoncer à décrire la réalité aves des images dans l'espace et le temps, lesquelles n'étaient finalement que des approximations commodes mais perdant leur sens dans certaines situations expérimentales définies par les fameuses inégalités de Heisenberg.

Une telle explication ne satisfaisait pas Erwin Schrödinger pour qui les électrons devaient être des paquets d'ondes stables assez bien localisés dans l'espace et le temps. Les mystérieux sauts quantiques devaient simplement être des transitions entre des modes de résonances d'ondes de matière piégées dans le puits de potentiel électrostatique du noyau, à la façon de modes vibratoires du son dans une caisse de résonance.

Le schéma de gauche montre Jupiter en orbite autour du Soleil avec de part et d'autre sur son orbite des concentrations d'astéroïdes (points verts). Il s'agit des fameux troyens occupant les points de Lagrange de Jupiter. Le nuage de points blancs représente les astéroïdes de la ceinture entre Mars et Jupiter. Sur la droite, on a représenté le nuage de probabilités associé au paquet d'ondes (Trojan wave packet) d'un électron, concentré en une région analogue à un point de Lagrange mais ici dans un atome de Rydberg de la taille d'un globule rouge environ. En modifiant la fréquence du champ électrique appliqué, on peut augmenter la taille de l'atome de Rydberg, comme le montre le schéma à droite. © Vienna University of Technology

L'histoire a confirmé le point de vue de Heisenberg et Bohr mais il est possible de considérer les électrons en partie comme des paquets d'ondes. En revanche il s'agit d'ondes décrites à la base par ce que l'on appelle des amplitudes de probabilités purement quantiques. On peut toutefois trouver, grâce à ces ondes, bien des analogies entre le comportement des électrons dans certaines situations et le comportement des particules et des ondes classiques.

Un laboratoire pour explorer les limites des mondes quantique et classique

Ainsi, en 1994, un groupe de physiciens avait prédit que ces analogies pourraient être poussées plus loin dans un atome de Rydberg, c'est-à-dire un atome avec un électron tellement excité qu'il se trouve sur un niveau d'énergie de grand nombre quantique (comme s'il était sur une orbite à grande distance du noyau de l'atome). Selon eux, il était possible de manipuler un tel atome par un champ électromagnétique de telle sorte que les électrons s'y comportent comme les astéroïdes dits troyens du Système solaire.

Une expérience avait fini par être réalisée il y a quelques années, montrant que l'on pouvait bien réaliser dans un atome l'analogue des points de Lagrange de Jupiter occupés par les troyens.

Dans le cas présent, l'expérience menée à l'université Rice à Houston (États-Unis) fait intervenir des atomes de Rydberg dont la taille est de quelques centièmes de millimètre. Initialement, un champ électrique appliqué oscille avec la fréquence correspondant à la période de révolution d'un électron sur l'orbite quantique. Cela provoque le piégeage du paquet d'ondes de l'électron dans une zone analogue à celle d'un point de Lagrange. Le paquet d'ondes continue néanmoins à se mouvoir tout comme le font les troyens de Jupiter autour du Soleil. On peut ensuite augmenter la taille de l'atome de Rydberg, toujours à l'aide d'un champ électromagnétique adéquat.

Les physiciens travaillent maintenant à la réalisation d'une expérience similaire mettant en jeu plusieurs électrons. L'analogie avec un système planétaire sera donc poussée un cran plus loin et les chercheurs espèrent ainsi en apprendre un peu plus sur le passage d'un monde quantique à un monde classique. Il serait intéressant de savoir si, par exemple, on voit apparaître du chaos quantique. Un article sur leurs travaux a été publié dans Physical Review Letters.

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