Les physiciens du MIT ont capturé les premières images d'atomes individuels interagissant librement dans l'espace. Les images révèlent des corrélations entre les particules « en plein air » qui jusqu'à présent étaient prédites mais n'ont jamais été directement observées. Leurs résultats, publiés aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physiqueaidera les scientifiques à visualiser les phénomènes quantiques sans vue dans l'espace réel.
Les images ont été prises en utilisant une technique développée par l'équipe qui permet d'abord à un nuage d'atomes de se déplacer et d'interagir librement. Les chercheurs se tournent ensuite sur un réseau de lumière qui gèle brièvement les atomes dans leurs traces, et ils appliquent des lasers finement réglés pour éclairer rapidement les atomes suspendus, créant une image de leurs positions avant que les atomes ne se dissipent naturellement.
Les physiciens ont appliqué la technique pour visualiser les nuages de différents types d'atomes et ont cassé un certain nombre de premières d'imagerie. Les chercheurs ont directement observé des atomes appelés «bosons», qui se sont regroupés dans un phénomène quantique pour former une vague. Ils ont également capturé des atomes appelés « fermions » dans le fait de s'accumuler dans l'espace libre – un mécanisme clé qui permet la supraconductivité.
« Nous sommes en mesure de voir des atomes uniques dans ces nuages intéressants d'atomes et ce qu'ils font les uns par rapport aux autres, ce qui est beau », explique Martin Zwierlein, professeur de physique de Thomas A. Frank au MIT.
Dans le même numéro de journal, deux autres groupes rapportent en utilisant des techniques d'imagerie similaires, dont une équipe dirigée par le lauréat du Nobel Wolfgang Ketterle, le professeur de physique de John D. MacArthur au MIT. Le groupe de Ketterle a visualisé les corrélations de paires améliorées entre les bosons, tandis que l'autre groupe, de l'école normale Supérieure à Paris, dirigé par Tarik Yefsah, un ancien postdoc du laboratoire de Zwierlein, a imaginé un nuage de Fermions non interactifs.
L'étude de Zwierlein et de ses collègues est co-écrite par les étudiants diplômés du MIT Ruixiao Yao, Sungjae Chi et Mingxuan Wang, et professeur adjoint de physique du MIT Richard Fletcher.
À l'intérieur du nuage
Un seul atome est d'environ un dixième d'un nanomètre de diamètre, soit un millionème d'épaisseur d'une mèche de cheveux humains. Contrairement aux cheveux, les atomes se comportent et interagissent selon les règles de la mécanique quantique; C'est leur nature quantique qui rend les atomes difficiles à comprendre. Par exemple, nous ne pouvons pas simultanément savoir précisément où se trouve un atome et à quelle vitesse il se déplace.
Les scientifiques peuvent appliquer diverses méthodes pour image des atomes individuels, y compris l'imagerie d'absorption, où la lumière laser brille sur le nuage d'atomes et jette son ombre sur un écran de caméra.
« Ces techniques vous permettent de voir la forme globale et la structure d'un nuage d'atomes, mais pas les atomes individuels eux-mêmes », note Zwierlein. « C'est comme voir un nuage dans le ciel, mais pas les molécules d'eau individuelles qui composent le nuage. »
Lui et ses collègues ont adopté une approche très différente afin d'imaginer directement les atomes interagissant dans l'espace libre. Leur technique, appelée «microscopie résolue par des atomes», implique d'abord un nuage d'atomes dans un piège lâche formé par un faisceau laser.
Ce piège contient les atomes en un seul endroit où ils peuvent interagir librement. Les chercheurs clignotent ensuite sur un réseau de lumière, qui gèle les atomes dans leurs positions. Ensuite, un deuxième laser éclaire les atomes suspendus, dont la fluorescence révèle leurs positions individuelles.
« La partie la plus difficile était de rassembler la lumière des atomes sans les faire bouillir du réseau optique », explique Zwierlein. «Vous pouvez imaginer que si vous apportiez un lance-flammes à ces atomes, ils n'aimeraient pas ça. Donc, nous avons appris quelques astuces au fil des ans sur la façon de le faire.
« Et c'est la première fois que nous le faisons in situ, où nous pouvons soudainement geler le mouvement des atomes lorsqu'ils interagissent fortement, et les voir, l'un après l'autre. C'est ce qui rend cette technique plus puissante que ce qui a été fait auparavant. »
Grappes et paires
L'équipe a appliqué la technique d'imagerie pour observer directement les interactions entre les bosons et les fermions. Les photons sont un exemple de boson, tandis que les électrons sont un type de fermion. Les atomes peuvent être des bosons ou des fermions, selon leur rotation totale, ce qui est déterminé par le fait que le nombre total de leurs protons, neutrons et électrons soit uniforme ou impair. En général, les bosons attirent, tandis que les fermions repoussent.
Zwierlein et ses collègues ont d'abord imaginé un nuage de bosons composé d'atomes de sodium. À basse température, un nuage de bosons forme ce que l'on appelle un condensat de Bose-Einstein – un état de matière où tous les bosons partagent un et même état quantique. Le Mit's Ketterle a été l'un des premiers à produire un condensat de Bose-Einstein, d'atomes de sodium, pour lesquels il a partagé le prix Nobel de physique 2001.
Le groupe de Zwierlein est désormais capable d'imaginer les atomes de sodium individuels dans le nuage, pour observer ses interactions quantiques. Il a longtemps été prédit que les bosons devraient « se grouper » ensemble, ayant une probabilité accrue d'être près les unes des autres.
Ce bouqueur est une conséquence directe de leur capacité à partager une et même onde mécanique quantique. Ce personnage en forme de vague a d'abord été prédit par le physicien Louis de Broglie. C'est l'hypothèse de « Wave de Broglie » qui a en partie déclenché le début de la mécanique quantique moderne.
« Nous comprenons tellement plus sur le monde de cette nature ressemblant à des vagues », explique Zwierlein. « Mais il est vraiment difficile d'observer ces effets quantiques et ondulés. Cependant, dans notre nouveau microscope, nous pouvons visualiser directement cette vague. »
Dans leurs expériences d'imagerie, l'équipe du MIT a pu voir, pour la première fois in situ, des bosons se grouper en partageant un quantum, corrélé de la vague de Broglie. L'équipe a également imaginé un nuage de deux types d'atomes de lithium. Chaque type d'atome est un fermion, qui repousse naturellement son propre type, mais qui peut fortement interagir avec d'autres types de fermions particuliers.
En imaginant le nuage, les chercheurs ont observé qu'en effet, les types de fermions opposés ont interagi et formé des paires de fermions – un couplage qu'ils pouvaient voir directement pour la première fois.
« Ce type de jumelage est la base d'une construction mathématique que les gens ont proposé pour expliquer les expériences. Mais quand vous voyez des images comme celles-ci, il se manifeste sur une photographie, un objet découvert dans le monde mathématique », explique le co-auteur de l'étude Richard Fletcher. « C'est donc un très bon rappel que la physique concerne des choses physiques. C'est réel. »
À l'avenir, l'équipe appliquera sa technique d'imagerie pour visualiser des phénomènes plus exotiques et moins comprises, tels que la « physique quantique » – les situations lors de l'interaction d'électrons affichent de nouveaux comportements corrélés en présence d'un champ magnétique.
« C'est là que la théorie devient vraiment poilue – où les gens commencent à dessiner des images au lieu de pouvoir écrire une théorie à part entière parce qu'ils ne peuvent pas les résoudre complètement », explique Zwierlein. « Maintenant, nous pouvons vérifier si ces caricatures des états de la salle quantique sont réellement réelles. Parce que ce sont des états assez bizarres. »
