Un tableau d'éléments périodique alternatif axé sur les ions hautement chargés révèle une nouvelle science qui pourrait soutenir la quête d'horloges atomiques optiques plus précises
Un tableau périodique des ions hautement chargés
Une nouvelle version du tableau périodique des éléments a prédit des centaines d'ions hautement chargés qui pourraient être utilisés pour créer la prochaine génération d'horloges atomiques optiques.
Le tableau périodique, inventé pour la première fois par Dmitri Mendeleev en 1869, regroupe les 118 éléments chimiques connus selon leurs propriétés chimiques. Étant donné que les éléments dans les mêmes parties du tableau périodique partagent des caractéristiques similaires, cette commande a permis aux chimistes d'identifier les lacunes dans le tableau il y a des décennies et a depuis aidé à découvrir les éléments pour les combler.
Le tableau fonctionne très bien pour les chimistes en général, mais pour certains physiciens, qui sont plus intéressés à trouver et à utiliser des ions à haute énergie, il ne fait pas le travail qu'ils veulent. Ces particules sont utilisées dans les lasers à rayons X, en thérapie tumorale, dans les plasmas, pour tester les théories de la physique fondamentale et les horloges optiques.
«Nous voulions rechercher des ions très chargés pour les horloges atomiques, pour les rendre beaucoup plus stables et beaucoup plus précises, explique Chunhai Lyu au Max Planck pour la physique nucléaire de Heidelberg, en Allemagne.
Les atomes sont constitués d'un noyau contenant des protons et des neutrons, avec des électrons disposés en coquilles et sous-coquilles à l'extérieur du noyau. Dans un atome, il y a un nombre égal de protons chargés positivement et d'électrons chargés négativement. Mais les atomes peuvent gagner ou perdre des électrons, formant des ions chargés. Un atome qui perd de nombreux électrons devient un ion très chargé.
Le tableau périodique d'origine est commandé en fonction du nombre de protons dans un atome de chaque élément. Au lieu de cela, Lyu et ses collègues ont organisé leur table en fonction du nombre d'électrons en ions. Une fois que l'atome d'un élément a perdu un ou plusieurs électrons, il peut avoir le même nombre d'électrons qu'un atome d'un autre élément. Cela signifie que chaque cellule de la table peut contenir des ions de plusieurs éléments partageant la même configuration d'électrons, explique Lyu.
Il en résulte un tableau dans lequel chaque ligne représente une coque d'électrons et chaque colonne représente une sous-coquille. La disposition a permis à Lyu et à ses collègues de prédire ce que l'on appelle les transitions interdites.
La table périodique repensée ordonne des ions selon le nombre d'électrons
Si un atome absorbe l'énergie – par exemple, en collisant avec un autre atome – les électrons peuvent se déplacer d'une coquille ou d'une sous-coquille à une autre. Selon la théorie quantique, certaines de ces transitions sont beaucoup plus susceptibles que d'autres, selon les coquilles où les électrons commencent et terminent.
Mais il y a aussi des transitions rares et inhabituelles qui ne sont pas strictement impossibles, juste hautement improbables et lentes à se produire. Ceux-ci sont appelés transitions interdites et parce qu'elles prennent plus de temps, elles sont très stables, ce qui les rend idéales pour concevoir des horloges atomiques optiques.
Lyu et ses collègues ont utilisé leur table pour prédire l'existence de 700 ions hautement chargés qui pourraient être utilisés pour ces transitions pour faire des horloges atomiques optiques plus précises.
Mark Leach, un chimiste qui conserve une base de données Internet de tables périodiques et gère le service de conseil en chimie de méta-synthèse, dit que toutes ces transitions interdites pourraient être disponibles.
Maintenant que les transitions ont été théoriquement prédites, dit Lyu, vous pouvez régler l'énergie d'un faisceau d'électrons pour entrer en collision avec les atomes pour générer l'ion à haute énergie que vous voulez et le maintenir dans cet état interdit avec des lasers.
L'ion pourrait ensuite être mesuré expérimentalement avec la spectroscopie pour en savoir plus sur la structure énergétique des électrons qui tournent autour du noyau, et utilisé pour construire des horloges atomiques encore plus précises, dit-il.
Ces montres pourraient aider à la navigation pour les vaisseaux spatiaux loin de la Terre, à coordonner les satellites, à tester la théorie de la relativité d'Albert Einstein et à exécuter des réseaux de communications quantiques.
«C'est très loin de l'idée principale du tableau périodique. C'est une configuration d'éléments hautement ionisés», explique Guillermo Restrepo au Max Planck Institute for Mathematics in the Sciences de Leipzig, en Allemagne. « Mais ils ont trouvé des transitions intéressantes et interdites, ce qui ouvre un nouveau chemin pour améliorer les horloges atomiques, ce qui est vraiment important. »
