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    Observation directe de molécules géantes

    L'image montre une vue artistique de l'objectif haute résolution utilisé dans l'expérience, qui regarde un seul plan d'atomes dans un réseau optique formé par les faisceaux laser rouges. L'image de droite montre l'occupation du site en treillis reconstitué, où les molécules de Rydberg sont identifiées comme des paires d'atomes manquantes (rouge). Crédit :Christoph Hohmann (MCQST)

    Les physiciens de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) ont réussi à former des molécules diatomiques géantes et à les détecter optiquement par la suite en utilisant un objectif haute résolution.

    La taille minuscule des molécules diatomiques conventionnelles dans le régime sub-nanométrique entrave la résolution optique directe de leurs constituants. Les physiciens de la division Quantum Many Body du MPQ dirigée par le professeur Immanuel Bloch ont pu lier des paires d'atomes hautement excités à une distance d'un micromètre. L'énorme longueur de liaison, comparable à de petites cellules biologiques comme le E. coli bactéries - permet une étude microscopique de la structure de liaison sous-jacente en résolvant directement optiquement les deux atomes liés.

    La petite taille et l'interaction de tous les électrons contributeurs rendent très compliquée l'étude expérimentale et théorique des liaisons moléculaires de manière très détaillée. Même la simple structure des atomes, les éléments constitutifs fondamentaux des liaisons chimiques, ne peut pas être calculé analytiquement. Seul l'atome d'hydrogène, qui est le premier et le plus simple élément du tableau périodique, composé uniquement d'un seul proton et d'un seul électron, peut être calculé avec précision. Le passage des atomes aux molécules augmente encore la difficulté. Parce que presque tous les atomes de notre planète sont liés dans des molécules, percevoir la structure de la liaison moléculaire est essentiel pour comprendre les propriétés matérielles de notre environnement. Atomes avec un seul électron dans un état hautement excité, les atomes dits de Rydberg, transférer la structure simple d'un atome d'hydrogène à des atomes plus complexes car l'unique électron excité est éloigné du noyau et des autres électrons. Par ailleurs, Les atomes de Rydberg ont attiré beaucoup d'attention ces dernières années en raison de leurs fortes interactions, qui peuvent être mesurés même à une distance du micron et sont déjà utilisés dans le domaine de la simulation quantique et du calcul quantique.

    L'équipe autour d'Immanuel Bloch et Christian Groß pourrait désormais utiliser ces interactions pour lier deux atomes de Rydberg en utilisant la lumière laser. "En raison de la théorie relativement simple des atomes de Rydberg, les états vibrationnels résolus par spectroscopie des molécules résultantes sont en accord quantitatif avec les niveaux d'énergie théoriquement calculés. Par ailleurs, la grande taille permet un accès microscopique direct à la longueur de liaison et à l'orientation de la molécule excitée, " dit Simon Hollerith, doctorat étudiant et premier auteur de l'étude.

    Dans l'expérience, les physiciens ont commencé avec un réseau d'atomes à deux dimensions avec des distances interatomiques de 0,53 µm, où chaque site du réseau était initialement occupé par exactement un atome. Le réseau optique sous-jacent épinglant les atomes de l'état fondamental à la position initiale a été créé par des faisceaux laser interférents. Parce que les molécules associées ont été repoussées du réseau, l'excitation de la molécule conduit à deux sites de réseau vides séparés par une longueur de liaison, ce qui correspond à une distance d'une diagonale de treillis dans le cas de cet ouvrage. Après une impulsion d'excitation, l'occupation atomique restante du réseau a été mesurée avec un objectif à haute résolution et les molécules ont été identifiées comme des sites vides corrélés. En utilisant cette méthode de détection microscopique, les physiciens ont pu en outre montrer que l'orientation des molécules excitées pour différentes résonances moléculaires alternait entre un alignement parallèle et perpendiculaire par rapport à la polarisation de la lumière d'excitation. La raison en est un effet d'interférence basé sur la structure électronique ainsi que le degré de liberté vibrationnel de la molécule, ce qui est également prédit par l'espérance théorique.

    Pour le futur, l'équipe du MPQ prévoit d'utiliser les nouvelles résonances moléculaires pour la simulation quantique de systèmes quantiques à plusieurs corps. Les états liés de deux atomes de Rydberg peuvent être utilisés pour concevoir de grandes forces d'interaction à la distance d'une longueur de liaison.

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