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Paire répulsive : nouvel état lié entre deux atomes ?

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Comment faire en sorte que deux objets qui se repoussent s'attirent ? Telle est la question à laquelle des physiciens autrichiens ont tenté de répondre, en créant de toute pièce un nouvel état lié entre deux atomes.

Figure 2 : des paires d'atomes de Rubidium placées dans des puits de potentiel au sein d'un cristal virtuel composé à partir d'interférences laser (en rouge dans les creux), révèlent un état lié stable malgré les forces de répulsion qui existent entre les

Il n'existe pas à l'état naturel de « paire répulsive », c'est-à-dire d'association stable de deux objets interagissant par l'effet d'une force qui les repousse (Fig. 1). Pourtant Johannes Hecker Denschlag et Andrew Daley, de l'université d'Innsbruck, ont pu mettre en oeuvre un nouvel état de la matière condensée qui bat en brèche cette affirmation. Au passage, ils ont contredit une évidence toute intuitive.

Figure 1 : il n'existe pas à l'état naturel de paire répulsive stable. Crédits : Université d'Innsbruck

Les deux physiciens ont piégé des atomes de rubidium ultra froids (Rb) dans une « boîte optique ». Une expérience similaire a été réalisée récemment avec un dispositif identique (voir « Une boîte optique pour piéger et étudier les gaz quantiques » ). Une matrice optique en 3D, constituée d'interférences entre des faisceaux laser et simulant ainsi un cristal, sert à des expérimentations où l'on a pu enfermer des gaz quantiques pour mieux les étudier. Le cristal virtuel contient en effet des puits de potentiel qui capturent les atomes (Fig. 2). Ici l'équipe autrichienne a utilisé un gaz froid de molécules de rubidium 87 (87Rb) se trouvant dans un état quantique particulier appelé condensation de Bose-Einstein (1) .

Des atomes au fonds d'un puits de potentiel

L'équipe a tout d'abord placé le gaz moléculaire dans la boite optique, puis séparé les atomes de chaque molécule, et enfin obtenu des paires d'atomes dotées de force répulsives élevées logées dans les puits de potentiel du pseudo cristal.

Observation surprenante : chaque fois que deux atomes de rubidium sont assemblés pour constituer une paire, ils se repoussent mais ont tendance à revenir l'un vers l'autre au creux du puits de potentiel qui abrite le duo. Explication : l'état de la paire répulsive serait stable car l'énergie totale des deux atomes est plus faible lorsqu'ils sont proches que lorsqu'ils sont séparés. La présence des atomes au sein du cristal optique restreint en effet les niveaux d'énergie qu'ils peuvent prendre, et une séparation de la paire répulsive ne pourrait se produire que si les atomes entraient dans des niveaux d'énergie interdits par la mécanique quantique.

On savait déjà qu'un tel cristal virtuel créé à partir d'une matrice optique en 3D pouvait constituer un extraordinaire laboratoire pour étudier la matière. C'est confirmé. Mais les chercheurs pensent aussi que des atomes placés dans ce type de boîte optique, et surtout leurs états d'énergie, pourraient être exploités en microélectronique et pourquoi pas pour un ordinateur quantique.

(1) Repulsively bound atom pairs in an optical lattice
K. Winkler, G. Thalhammer, F. Lang, R. Grimm, J. Hecker Denschlag, A. J. Daley, A. Kantian, H. P. Bächler, P. Zoller, Nature 441, 853-856.

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