La distance entre les pointes d'aiguille est d'environ deux millimètres. Lorsqu'il est éclairé par un laser de couleur bleu-violet, 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

Sciences

Peut-on voir les atomes ?

Question/RéponseClassé sous :atome , voir , microscope

On s'accorde généralement à faire remonter au philosophe présocratique grec Leucippe (460 - 370 av. J.-C.) et surtout son élève Démocrite les premières idées sur la structure atomique de la matière. Ce qui n'était qu'une pure spéculation philosophique brillante a toutefois été repris sous une forme ou sous une autre par les pionniers de la physique et de la chimie moderne et en particulier au cours du XIXe siècle.

Visualiser des atomes est une véritable prouesse... 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.

En fait, pour eux comme 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.

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

Les 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, comme le montre la vidéo, ci-dessus.

La distance entre les pointes d’aiguille est d’environ deux millimètres. Lorsqu’il est éclairé par un laser de couleur bleu-violet, 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 ultravide 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

Des photos d’atomes isolés 

En 2010, une équipe de chercheurs de l'université d'Otago en Nouvelle-Zélande a réussi à faire mieux pour la première fois en formant des images d'un seul atome isolé. Il s'agissait d'un atome de rubidium 85 neutre dans un piège magnéto-optique.

En 2018, on a fait encore plus fort avec l'image d'un atome de strontium isolé. 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.

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

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.

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