En mesurant une molécule à 11 atomes avec un laser à rayons X incroyablement puissant, les chercheurs ont vu la façon dont ses atomes font de légers mouvements synchronisés, même lorsqu'ils devraient être immobiles
Le tunnel accélérateur de Xfel européen, l'installation où le minuscule mouvement atomique a été mesuré
Pour la première fois, un laser à rayons X incroyablement puissant a révélé de minuscules mouvements atomiques dans une molécule qui devraient autrement être parfaitement immobiles – si ce n'était pas pour les caprices de la mécanique quantique.
La physique quantique déteste l'immobilité. En effet, le principe de l'incertitude de Heisenberg interdit les chercheurs de mesurer simultanément et précisément la position et l'élan d'une particule. Cela signifie qu'une particule quantique ne peut pas être complètement immobile, car dans ce scénario, sa position et sa dynamique seraient connues trop précisément. Au lieu de cela, même lorsque les atomes ont très peu d'énergie, ils sont condamnés à secouer perpétuellement, bien que très légèrement.
Mais dans les molécules complexes, où les atomes se déplacent de diverses manières, la mesure de ce minuscule jiggle Heisenberg est extrêmement difficile. Maintenant, jusqu'à Jahnke au Xfel européen, une installation laser en Allemagne, et ses collègues l'ont capturé dans une molécule fabriquée à partir de 11 atomes de carbone, d'hydrogène, d'azote et d'iode.
«Ce fut une expérience en son genre» car elle a utilisé des outils uniques, explique Jahnke. L'instrument crucial, dit-il, était la «bête d'un laser» qui barrait les molécules avec des éclats de puissants rayons X. Les impulsions n'étaient que des quadrillions de seconde, mais elles étaient un million de fois plus brillantes que les radiographies utilisées en médecine.
Chaque radiographie a éclaté d'électrons loin de la molécule. Cela a rendu ses atomes chargés positivement, alors ils se sont repoussés de manière explosive. En examinant les conséquences de ces explosions, les chercheurs pourraient reconstruire les fluctuations quantiques des atomes à leur énergie la plus basse – dans des détails sans précédent.
Plus précisément, l'équipe a découvert que le jiggle de Heisenberg semble suivre une chorégraphie, où les mouvements de certains atomes sont synchronisés. Ce n'était pas totalement inattendu et pourrait être prédit à partir de la structure de la molécule. Mais les chercheurs ont été surpris par la façon dont ils pouvaient le mesurer, explique le membre de l'équipe Ludger Inhester au synchrotron d'électrons allemand.
Ensuite, les chercheurs veulent étudier comment les fluctuations quantiques affectent le comportement des molécules pendant les réactions chimiques. Ils prévoient également d'adapter leur méthode pour voir comment les électrons secoulaient.
«Nous étudions les moyens de généraliser cela à des systèmes plus grands. Il y a beaucoup de directions ouvertes pour de nouvelles recherches», explique Rebecca Boll, membre de l'équipe, également au XFEL européen.
