Les chercheurs ont mis au point une méthode permettant de mesurer avec précision la position tridimensionnelle d’un atome avec une seule image, révolutionnant ainsi les expériences de mécanique quantique et le développement de matériaux en facilitant la manipulation et le suivi précis des atomes.
La méthode développée aux universités de Bonn et de Bristol utilise un principe physique ingénieux.
Depuis plus de dix ans, les physiciens sont capables de déterminer la position exacte d’atomes individuels avec une précision inférieure au millième de millimètre à l’aide d’un microscope spécialisé. Cependant, cette méthode n’a jusqu’à présent fourni que les coordonnées x et y. Informations sur la position verticale du atome – c’est-à-dire la distance entre l’atome et l’objectif du microscope – fait défaut.
Une nouvelle méthode a été développée pour déterminer les trois coordonnées spatiales d’un atome avec une seule image. Cette méthode – développée par l’Université de Bonn et l’Université de Bristol – repose sur un principe physique ingénieux. L’étude a été récemment publiée dans la revue spécialisée Examen physique A.
Le défi de mesurer la troisième dimension
Quiconque a utilisé un microscope dans un cours de biologie pour étudier une cellule végétale se souviendra probablement d’une situation similaire. Il est facile de dire qu’un certain chloroplaste est situé au-dessus et à droite du noyau. Mais les deux sont-ils situés sur le même plan ? Cependant, une fois que vous ajustez la mise au point du microscope, vous constatez que l’image du noyau devient plus nette tandis que l’image du chloroplaste devient floue. L’un d’eux doit être un peu plus haut et l’autre un peu plus bas que l’autre. Cependant, cette méthode ne peut pas nous donner de détails précis sur leurs positions verticales.
Voici à quoi cela ressemble dans la pratique : les différents sens de rotation des différents « haltères » indiquent que les atomes se trouvent dans des plans différents. Crédit : IAP/Université de Bonn
Le principe est très similaire si l’on souhaite observer des atomes individuels plutôt que des cellules. La microscopie dite quantique des gaz peut être utilisée à cette fin. Il vous permet de déterminer simplement les coordonnées x et y d’un atome. Cependant, il est beaucoup plus difficile de mesurer sa coordonnée z, c’est-à-dire la distance à l’objectif : pour savoir sur quel plan se trouve l’atome, il faut prendre plusieurs images dans lesquelles la mise au point est décalée sur différents plans. . Il s’agit d’un processus complexe et long.
Transformer des taches rondes en haltères
«Nous avons désormais développé une méthode permettant de réaliser ce processus en une seule étape», explique Tangi Legrand de l’Institut de physique appliquée (IAP) de l’Université de Bonn. « Pour y parvenir, nous utilisons un effet déjà connu en théorie depuis les années 1990 mais qui n’avait pas encore été utilisé dans un microscope quantique à gaz. »
Pour expérimenter sur les atomes, il faut d’abord les refroidir considérablement afin qu’ils bougent à peine. Il est ensuite possible, par exemple, de les piéger dans une onde stationnaire de lumière laser. Ils glissent ensuite dans les creux de la vague, de la même manière que les œufs reposent dans une boîte à œufs. Une fois piégés, pour révéler leur position, ils sont exposés à un faisceau laser supplémentaire, qui les stimule à émettre de la lumière. La fluorescence qui en résulte apparaît dans le microscope à gaz quantique sous la forme d’un point rond légèrement flou.
L’image d’un atome produite par un microscope à gaz quantique est normalement une tache ronde légèrement floue. Les chercheurs l’ont déformé en forme d’haltère (l’image montre la prédiction théorique). La direction dans laquelle pointe l’haltère indique la coordonnée z. Crédit : IAP/Université de Bonn
«Nous avons développé une méthode spéciale pour déformer le front d’onde de la lumière émise par l’atome», explique le Dr Andrea Alberti. Le chercheur, qui a désormais quitté l’IAP pour l’Institut d’optique quantique Max Planck de Garching, a également participé à l’étude. « Au lieu des points ronds typiques, le front d’onde déformé produit sur la caméra une forme d’haltère qui tourne sur elle-même. La direction dans laquelle pointe cet haltère dépend de la distance que la lumière a dû parcourir de l’atome à la caméra.
«L’haltère agit ainsi un peu comme l’aiguille d’une boussole et nous permet de lire la coordonnée z en fonction de son orientation», explique le professeur Dieter Meschede. Le chercheur de l’IAP, dont le groupe de recherche a réalisé l’étude, est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire « Matter » de l’Université de Bonn.
Important pour les expériences de mécanique quantique
La nouvelle méthode permet de déterminer avec précision la position d’un atome en trois dimensions avec une seule image. Ceci est important, par exemple, si l’on souhaite réaliser des expériences de mécanique quantique avec des atomes car il est souvent indispensable de pouvoir contrôler ou suivre précisément leur position. Cela permet aux chercheurs de faire interagir les atomes les uns avec les autres de la manière souhaitée.
En outre, la méthode pourrait également être utilisée pour contribuer au développement de nouveaux matériaux quantiques dotés de caractéristiques particulières. «Par exemple, nous pourrions étudier quels effets de la mécanique quantique se produisent lorsque les atomes sont disposés dans un certain ordre», explique le Dr Carrie Weidner du Université de Bristol. « Cela nous permettrait de simuler dans une certaine mesure les propriétés des matériaux tridimensionnels sans avoir à les synthétiser. »
L’Université de Bonn et l’Université de Bristol ont toutes deux participé à l’étude. La recherche a été financée par la Fondation allemande pour la recherche (DFG).
