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Actualité > Après les atomes de Rydberg, les molécules de Rydberg !
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Le 30 avril 2009 à 11h32
Après les atomes de Rydberg, les molécules de Rydberg !
Par Laurent Sacco, Futura-Sciences
Le phénomène avait été pressenti par Enrico Fermi dès les années 1930
mais même le grand physicien italien n’avait pas envisagé qu’il serait un
jour possible de réaliser en laboratoire de véritable molécules composées de
ce que l'on appelle des atomes de Rydberg.
Remontons en 1934, seulement quelques années après la formulation des
principes de la mécanique quantique lors du célèbre congrès Solvay en 1927. Le
dernier physicien universel se nomme alors Enrico Fermi et c’est un maître aussi
bien en physique théorique qu’expérimentale. Ses contributions passées portent
sur la relativité générale mais aussi sur la théorique quantique des champs. A ce
moment, Fermi est en train de tourner ses réflexions du côté du noyau, des
neutrons et de la radioactivité bêta. Il laisse donc de côté la physique atomique
mais non sans ajouter quelques réflexions à ses travaux sur les couches
électroniques des atomes. Il prédit alors qu’entre un atome de Rydberg et un
atome normal, il doit exister un nouveau type d’interaction.
Rappelons qu’un atome de Rydberg est un atome possédant un électron
célibataire externe tellement excité qu’il en est presque ionisé. L’électron
célibataire tourne donc autour du noyau à une distance particulièrement grande
relativement à la taille d’un atome normal et il devient presque possible de parler
pour cet électron éloigné d’orbite au sens classique du terme.
Au cours des années 1970 et 1980, plusieurs physiciens théoriciens, dont Chris
Greene, se rendent compte qu’il doit être possible de former de nouveaux types
de molécules dans lesquelles l’un des atomes est précisément un atome de
Rydberg, un phénomène que Fermi lui-même n’avait pas prévu même s'il découle
très directement de son travail de 1934. Cela n’est guère étonnant. Très fragile, la
liaison chimique potentielle découverte par Fermi est rapidement détruite par
l’agitation thermique et seuls des atomes refroidis à des températures inférieures à
-273°C, c'est-à-dire presque le zéro absolu, sont susceptibles de former des
molécules de Rydberg.
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De gauche à droite, Robert Oppenheimer, Enrico Fermi et Ernest Lawrence.Crédit : Lawrence Berkeley National
Laboratory
Quel rapport avec le trilobite ?
On sait depuis seulement quelques années produire des atomes et des molécules
ultrafroids et c’est pourquoi la réalisation et l’observation de ces molécules ont dû
attendre les travaux de Vera Bendkowsky et ses collègues de l’université de
Stuttgart.
Les chercheurs ont donc commencé par refroidir presque à 0 kelvin un gaz
d’atomes de rubidium de sorte que les distances entre eux soient de l’ordre de
100 nanomètres en moyenne, ce qui reste grand par rapport à la taille des
molécules ordinaires (une telle dimension représente plusieurs milliers de fois la
taille d’un atome d’hydrogène). Sous l’action d’un faisceau laser, certains de ces
atomes de rubidium sont alors suffisamment excités pour devenir des atomes de
Rydberg. L’agitation thermique résiduelle de ces atomes est incapable de
s’opposer à la formation temporaire de molécules de Rydberg. Mais ces dernières
restent tout de même éphémères dans les conditions de l’expérience car elles ne
survivent en moyenne que 18 microsecondes.
D’autres vérifications des prédictions concernant les molécules de Rydberg sont
prévues dans un avenir rapproché. Les physiciens pensent en particulier à un cas
assez amusant dans lequel la distribution des probabilités de présence des
électrons formant la liaison entre deux atomes dans une molécule de Rydberg
ressemble à la forme d’un trilobite, le célèbre animal de l’ère paléozoïque.
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Sur cette image de synthèse, la hauteur des pics représente la probabilité
de présence pour les électrons formant une molécule de Rydberg à partir
de deux atomes de rubidium. Selon les prédictions des chercheurs, une
telle molécule pourrait être de 500 à 50.000 fois plus grosse qu'un atome.
On remarque que la densité de probabilité évoque ici la forme d'un
trilobite. Crédit : Greene, Dickinson, and Sadeghpour, Physical Review
Letters, 18 septembre 2000
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Atome de rydberg, Molécule de rydberg, Chris Greene,
Atome ultra-froid,
Rubidium,
Enrico fermi,
Vera Bendkowsky, Densité de probabilité, Trilobite
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