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Des molécules de Rydberg aussi grosses qu'un globule rouge !

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L'observation des molécules de Rydberg est très récente. Un groupe de chercheurs de l'université de l'Oklahoma vient d'ajouter une page de plus à la saga de ces molécules en réussissant à créer puis à observer une molécule formée de deux atomes mais dont la taille est de l'ordre de celle d'un globule rouge...

Une expérience sur les gaz ultra-froids et les molécules de Rydberg à l'aide d'un piège magnéto-optique à l'université de l'Oklahoma. © 2005 Shaffer Research Group

Où se situe exactement la frontière entre un objet décrit par les lois de la physique classique et celui décrit par la physique quantique ? Les pionniers fondateurs de la théorie quantique avaient avancé quelques éléments de réponse, comme Niels Bohr avec son principe de correspondance. Selon lui, le comportement de systèmes atomiques, décrits par la physique quantique, peut parfois se rapprocher de celui d'un objet classique. C'est le cas des systèmes décrits par de grands nombres quantiques, dont le nombre quantique principal « n » correspondant aux niveaux d'énergie des électrons.

Pour un physicien débutant, c'est d'ailleurs un exercice très simple de constater que lorsque l'on considère des niveaux d'énergies d'un atome avec de grands « n » , la différence entre eux devient de plus en plus faible. On finit par avoir une bonne approximation du comportement de l'électron sur ces niveaux d'énergies à l'aide de variations quasi continues de leur énergie.

En bonus, alors que, comme l'avait démontré Heisenberg, on doit renoncer à parler de la trajectoire d'un électron dans un atome au sens classique lorsqu'il se trouve dans les niveaux d'énergies à bas nombres quantiques, une notion approximative de trajectoire fait sens à nouveau. Exactement comme le prédisait le principe de correspondance de Bohr.

On est alors face à ce que l'on appelle un atome de Rydberg, du nom du découvreur de la formule donnant la longueur d'onde des différentes raies spectrales de l'atome d'hydrogène en fonction de nombres entiers. Cette atome possède une grande taille puisqu'un grand nombre quantique « n » associé à son électron périphérique correspond à un rayon important de son orbite autour du noyau. 

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. Crédit : AIP Emilio Segre Visual Archives, W. F. Meggers Collection

Récemment, James P. Shaffer, du département de physique et d'astronomie de l'université de l'Oklahoma, avait publié dans Nature avec ses collègues allemands de Stuttgart les résultats d'expériences prouvant que des molécules de Rydberg sont possibles. Les chercheurs avaient alors employé des atomes de Rydberg de rubidium.

Avec ses collègues du groupe de recherche qu'il dirige à l'université de l'Oklahoma, Shaffer vient de publier un autre article dans Nature Physics dans lequel il explique, qu'avec un piège magnéto-optique et des atomes froids, il a réussi à créer des molécules de Rydberg géantes avec des atomes de césium. Ces dernières seraient parmi les plus grandes voire les plus grandes molécules connues puisque leur taille serait de 3 à 9 micromètres, ce qui est de l'ordre de la taille d'un globule rouge, environ 7 micromètres.

Il y a mieux...

A l'aide d'un champ électrique les chercheurs peuvent manipuler les orbites des électrons de liaison de cette molécule et donc changer sa taille. On peut ainsi doter cette molécule d'une énergie de liaison et d'une fréquence de vibration bien déterminées.

Pour des expériences concernant les propriétés des gaz quantiques d'atomes froids et les fluctuations quantiques du champ électromagnétique de telles molécules sont intéressantes.

Plus généralement, ce qu'on appelle un gaz de Rydberg d'atomes froids (à une température de l'ordre du microkelvin) permet d'étudier de nombreuses situations physiques nouvelles à l'interface de la physique atomique et moléculaire, de la physique des plasmas ou de la physique des solides. On a aussi de bonnes raisons de penser que des molécules de Rydberg, et aussi de la véritable matière de Rydberg constituée d'agrégats d'atomes de Rydberg, sont assez communes dans le milieu interstellaire.

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