À l'aide de lasers, Des physiciens américains et autrichiens ont cajolé des atomes de strontium ultrafroids dans des structures complexes sans précédent dans la nature.

"Je suis étonné que nous ayons découvert une nouvelle façon dont les atomes s'assemblent, " a déclaré Tom Killian, physicien de l'Université Rice. " Cela montre à quel point les lois de la physique et de la chimie peuvent être riches. " Killian est le scientifique principal d'un nouvel article publié dans Physical Review Letters (PRL) qui résumait les résultats expérimentaux du groupe.

Killian a fait équipe avec des physiciens expérimentateurs du Rice's Center for Quantum Materials et des physiciens théoriciens de l'Université de Harvard et de l'Université de technologie de Vienne sur le projet de deux ans visant à créer des « polarons Rydberg » à partir d'atomes de strontium qui étaient au moins 1 million de fois plus froids que l'espace lointain.

Les conclusions de l'équipe, qui sont résumés dans l'article du PRL et une étude théorique connexe publiée cette semaine dans Examen physique A (PRA), révéler quelque chose de nouveau sur la nature fondamentale de la matière, dit Killian.

"Les lois fondamentales que nous apprenons en cours de chimie nous disent comment les atomes se lient pour former des molécules, et une compréhension approfondie de ces principes est ce qui permet aux chimistes et aux ingénieurs de fabriquer les matériaux que nous utilisons dans notre vie quotidienne, " dit-il. " Mais ces lois sont aussi assez rigides. Seules certaines combinaisons d'atomes formeront des liaisons stables dans une molécule. Notre travail a exploré un nouveau type de molécule qui n'est décrit par aucune des règles traditionnelles pour lier les atomes ensemble."

Killian a déclaré que les nouvelles molécules ne sont stables qu'à des températures extrêmement froides, environ un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. A des températures aussi basses, les atomes constitutifs restent immobiles assez longtemps pour devenir "collés ensemble" dans de nouveaux, structures complexes, il a dit.

"Une chose étonnante est que vous pouvez continuer à attacher un nombre arbitraire d'atomes à ces molécules, " dit Killian. " C'est comme attacher des blocs Lego, ce que vous ne pouvez pas faire avec les types de molécules traditionnels."

Il a dit que la découverte intéressera les chimistes théoriciens, physiciens de la matière condensée, les physiciens atomiques et les physiciens qui étudient les atomes de Rydberg pour une utilisation potentielle dans les ordinateurs quantiques.

"La nature profite d'une fascinante boîte à outils d'astuces pour lier des atomes ensemble pour fabriquer des molécules et des matériaux, " dit Killian. " Comme nous découvrons et comprenons ces trucs, nous satisfaisons notre curiosité innée pour le monde dans lequel nous vivons, et cela peut souvent conduire à des avancées pratiques telles que de nouveaux médicaments thérapeutiques ou des cellules solaires photorécoltantes. Il est trop tôt pour dire si des applications pratiques découleront de notre travail, mais une recherche fondamentale comme celle-ci est ce qu'il faut pour trouver les grandes percées de demain. »

Les efforts de l'équipe se sont concentrés sur la fabrication, mesurer et prédire le comportement d'un état spécifique de la matière appelé polaron de Rydberg, une combinaison de deux phénomènes distincts, Atomes de Rydberg et polarons.

Dans les atomes de Rydberg, un ou plusieurs électrons sont excités avec une quantité précise d'énergie de sorte qu'ils orbitent loin du noyau de l'atome. Les atomes de Rydberg peuvent être décrits avec des règles simples écrites il y a plus d'un siècle par le physicien suédois Johannes Rydberg. Ils ont été étudiés en laboratoire pendant des décennies et on pense qu'ils existent dans les régions froides de l'espace lointain. Les atomes de Rydberg dans l'étude PRL mesuraient jusqu'à un micron de large, environ 1, 000 fois plus gros que les atomes de strontium normaux.

Les polarons sont créés lorsqu'une seule particule interagit fortement avec son environnement et provoque des électrons à proximité, ions ou atomes pour se réarranger et former une sorte de revêtement que la particule emporte avec elle. Le polaron lui-même est un collectif – un objet unifié connu sous le nom de quasiparticule – qui incorpore les propriétés de la particule d'origine et de son environnement.

Les polarons de Rydberg sont une nouvelle classe de polarons dans lesquels les hautes énergies, l'électron en orbite lointaine rassemble des centaines d'atomes sur son orbite alors qu'il se déplace dans une zone dense, nuage ultra-froid. Dans les expériences de Rice, les chercheurs ont commencé par créer un nuage surfondu de plusieurs centaines de milliers d'atomes de strontium. En coordonnant la synchronisation des impulsions laser avec les changements du champ électrique, les chercheurs ont pu créer et compter un à un les polarons de Rydberg, formant finalement des millions d'entre eux pour leur étude.

Alors que les polarons Rydberg avaient déjà été créés avec du rubidium, l'utilisation du strontium a permis aux physiciens de déterminer plus clairement l'énergie des atomes de Rydberg revêtus d'une manière qui a révélé des caractéristiques universelles inédites.

"Je donne beaucoup de crédit aux théoriciens, " dit Killian, professeur de physique et d'astronomie. « Ils ont développé des techniques puissantes pour calculer la structure de centaines de particules en interaction afin d'interpréter nos résultats et d'identifier les signatures des polarons de Rydberg.

« D'un point de vue expérimental, il était difficile de fabriquer et de mesurer ces polarons, " a-t-il dit. " Chacun d'eux n'a vécu que quelques microsecondes avant que des collisions avec d'autres particules ne le déchirent. Nous avons dû utiliser des techniques très sensibles pour compter ces objets fragiles et éphémères."