Des physiciens ont utilisé pour la première fois une nouvelle méthode permettant d’observer des atomes individuels en interaction dans l’espace. Cette nouvelle méthode confirme une théorie centenaire de la mécanique quantique. Pour la première fois, des scientifiques ont observé des atomes flottant et interagissant librement dans l’espace. Cette découverte contribue à confirmer certains des principes fondamentaux de la mécanique quantique, prédits il y a plus d’un siècle, mais jamais testés directement.
Les atomes individuels sont notoirement difficiles à observer en raison de leur nature quantique. Par exemple, les chercheurs ne peuvent pas connaître simultanément la position et la vitesse d’un atome en raison de l’étrangeté quantique. Mais grâce à certaines techniques laser, ils ont pu produire des images de nuages d’atomes.
Français: En haut: Deux illustrations montrent comment les atomes dans un piège à atomes (rouge) sont soudainement figés en place par un réseau optique. En bas: Trois images au microscope montrent (de gauche à droite) du 23Na bosonique formant un condensat de Bose-Einstein; un état de spin dans le mélange de Fermi à faible interaction de 6Li; et les deux états de spin du mélange de Fermi à forte interaction, montrant directement la formation de paires. Yao et al.
«C’est comme voir un nuage dans le ciel mais pas les molécules d’eau individuelles qui le composent», a déclaré Martin Zwierlein, physicien au Massachusetts Institute of Technology et co-auteur de la nouvelle étude, dans un communiqué.
La nouvelle méthode va plus loin, permettant aux scientifiques de photographier des atomes en liberté dans l’espace. Zwierlein et ses collègues ont d’abord piégé un nuage d’atomes de sodium dans un piège à ultra-froid. Ils ont ensuite projeté un faisceau laser à travers le nuage pour figer temporairement les atomes. Un second laser fluorescent a ensuite éclairé la position de chaque atome.
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Les particules observées appartiennent à un groupe appelé bosons. Elles possèdent le même état quantique et, par conséquent, se comportent comme une onde, se regroupant. Ce concept a été proposé pour la première fois par le physicien français Louis de Broglie en 1924 et est devenu plus tard connu sous le nom d’« onde de Broglie ».
Illustration d’atomes flottant librement dans l’air. Stanislav Pytel
Effectivement, les bosons observés par Zwierlein et son équipe présentaient un comportement ondulatoire de De Broglie. Les chercheurs ont également capturé des images de fermions de lithium, un type de particules qui repoussent les particules similaires plutôt que de s’agglutiner.
Les résultats ont été publiés le 5 mai 2025 dans la revue Physical Review Letters. Deux autres groupes ont rapporté avoir utilisé une technique similaire pour observer des paires de bosons et de fermions dans le même numéro de la revue.
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«Nous pouvons voir des atomes individuels dans ces nuages d’atomes intéressants et comment ils interagissent les uns avec les autres, et c’est magnifique», a déclaré Zwierlein.
À l’avenir, l’équipe prévoit d’utiliser cette nouvelle technique, appelée «microscopie à résolution atomique», pour étudier d’autres phénomènes de mécanique quantique. Par exemple, elle pourrait permettre d’observer l’«effet Hall quantique», où les électrons se synchronisent lorsqu’ils sont exposés à un champ magnétique intense.
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