Des chercheurs du 5e Institut de physique de l'Université de Stuttgart ont vérifié un nouveau mécanisme de liaison formant une molécule entre une minuscule particule chargée et un gigantesque (en termes moléculaires) atome de Rydberg. Les scientifiques ont observé la molécule à l'aide d'un microscope ionique auto-construit. Les résultats sont publiés dans Nature .

Lorsque des particules simples comme des atomes et des ions se lient, des molécules émergent. De telles liaisons entre deux particules peuvent apparaître si elles ont, par exemple, des charges électriques opposées et sont donc capables de s'attirer. La molécule observée à l'Université de Stuttgart présente une particularité :elle est constituée d'un ion chargé positivement et d'un atome neutre dans un état dit de Rydberg. Ces atomes de Rydberg ont grossi mille fois par rapport aux atomes typiques. Comme la charge de l'ion déforme l'atome de Rydberg d'une manière très spécifique, la liaison entre les deux particules émerge.

Pour vérifier et étudier la molécule, les chercheurs ont préparé un nuage de rubidium ultra-froid, qui a été refroidi près du zéro absolu à -273 degrés Celsius. Ce n'est qu'à ces basses températures que la force entre les particules est suffisamment forte pour former une molécule. Dans ces ensembles atomiques ultra-froids, l'ionisation d'atomes uniques avec des champs laser prépare le premier élément constitutif de la molécule :l'ion.

Des faisceaux laser supplémentaires excitent un deuxième atome dans l'état de Rydberg. Le champ électrique de l'ion déforme ce gigantesque atome. Fait intéressant, la déformation peut être attractive ou répulsive en fonction de la distance entre les deux particules, laissant les partenaires de liaison osciller autour d'une distance d'équilibre et induisant la liaison moléculaire. La distance entre les partenaires de liaison est exceptionnellement grande et équivaut à environ un dixième de l'épaisseur d'un cheveu humain.

Microscopie à l'aide de champs électriques

Un microscope ionique spécial a rendu cette observation possible. Il a été développé, construit et commandé par les chercheurs du 5ème Institut de Physique en étroite collaboration avec les ateliers de l'Université de Stuttgart. Contrairement aux microscopes typiques fonctionnant avec la lumière, l'appareil influence la dynamique des particules chargées à l'aide de champs électriques pour agrandir et imager les particules sur un détecteur. "Nous pourrions imager la molécule flottante libre et ses constituants avec ce microscope et observer et étudier directement l'alignement de cette molécule dans notre expérience", explique Nicolas Zuber, Ph.D. étudiant au 5ème Institut de Physique.

Dans une prochaine étape, les chercheurs veulent étudier les processus dynamiques au sein de cette molécule inhabituelle. A l'aide du microscope, il devrait être possible d'étudier les vibrations et les rotations de la molécule. En raison de sa taille gigantesque et de la faible liaison de la molécule, les processus dynamiques sont plus lents par rapport aux molécules habituelles. Le groupe de recherche espère acquérir de nouvelles connaissances plus détaillées sur la structure interne de la molécule. + Explorer plus loin

Liaison atomique faible, théorisée il y a 14 ans, observée pour la première fois