Dans l'expérience de la double fente, une particule se déplace sur deux chemins différents en même temps. Quelque chose de similaire peut être observé lorsqu'un atome d'hélium est ionisé avec un faisceau laser. L'ionisation de l'hélium peut se produire via deux processus différents, et cela conduit à des effets d'interférence caractéristiques. Une équipe de scientifiques a maintenant réussi à observer l'accumulation de ces effets, même si cet effet se produit sur une échelle de temps de la femtoseconde.

C'est certainement l'expérience la plus célèbre de la physique quantique :dans l'expérience à double fente, une particule est tirée sur une plaque à deux fentes parallèles, il y a donc deux chemins différents sur lesquels la particule peut atteindre le détecteur de l'autre côté. En raison de ses propriétés quantiques, la particule n'a pas à choisir entre ces deux possibilités, il peut passer à travers les deux fentes en même temps. Quelque chose d'assez similaire peut être observé lorsqu'un atome d'hélium est ionisé avec un faisceau laser.

Tout comme les deux chemins à travers la plaque, l'ionisation de l'hélium peut se faire via deux processus différents en même temps, et cela conduit à des effets d'interférence caractéristiques. Dans le cas de l'atome d'hélium, elles sont appelées "résonances de Fano". Une équipe de scientifiques de la TU Wien (Vienne, L'Autriche), l'Institut Max-Planck de physique nucléaire de Heidelberg (Allemagne) et l'Université d'État du Kansas (États-Unis) ont maintenant réussi à observer l'accumulation de ces résonances de Fano, même si cet effet se produit sur une échelle de temps de la femtoseconde.

L'expérience a été réalisée à Heidelberg, la proposition originale d'une telle expérience et des simulations informatiques ont été développées par l'équipe de Vienne, des calculs théoriques supplémentaires sont venus de la Kansas State University.

Chemin direct et indirect

Lorsqu'une impulsion laser transfère suffisamment d'énergie à l'un des électrons de l'atome d'hélium, l'électron est immédiatement arraché à l'atome.

Il y a, cependant, une autre façon d'ioniser l'atome d'hélium, ce qui est un peu plus complexe, comme l'explique le professeur Joachim Burgdörfer (TU Wien) :« Si au début le laser élève les deux électrons à un état d'énergie plus élevée, l'un des électrons peut revenir à l'état d'énergie inférieure. Une partie de l'énergie de cet électron est transférée au deuxième électron, qui peut alors quitter l'atome d'hélium."

Le résultat de ces deux processus est exactement le même - tous deux transforment l'atome d'hélium neutre en un ion avec un électron restant. De cette perspective, ils sont fondamentalement indiscernables.

Résonances Fano

"Selon les lois de la physique quantique, chaque atome peut subir les deux processus en même temps", dit Renate Pazourek (TU Wien). "Et cette combinaison de chemins nous laisse des traces caractéristiques qui peuvent être détectées." Analyser la lumière absorbée par les atomes d'hélium, On trouve des résonances dites de Fano - un signe indubitable que l'état final a été atteint par deux chemins différents.

Cela peut également être évité. Pendant le processus d'ionisation, le chemin indirect peut être efficacement désactivé avec un deuxième faisceau laser de sorte que seul l'autre chemin reste ouvert et que la résonance Fano disparaisse.

Cela ouvre une nouvelle possibilité d'étudier l'évolution temporelle de ce processus. En premier, l'atome est autorisé à suivre les deux chemins simultanément. Après quelque temps, le chemin indirect est bloqué. En fonction de la durée pendant laquelle le système a été autorisé à accéder aux deux chemins, la résonance Fano devient plus ou moins distincte.

"Les résonances de Fano ont été observées dans une grande variété de systèmes physiques, ils jouent un rôle important en physique atomique", dit Stefan Donsa (TU Wien). "Pour la première fois, il est maintenant possible de contrôler ces résonances et de montrer avec précision, comment ils s'accumulent en quelques femtosecondes." "Ces effets quantiques sont si rapides que sur nos échelles de temps habituelles, ils semblent se produire instantanément, d'un instant à l'autre", dit Stefan Nagele. "Ce n'est qu'en employant de nouvelles méthodes sophistiquées de physique attoseconde qu'il est devenu possible d'étudier l'évolution temporelle de ces processus."

Cela n'aide pas seulement les scientifiques quantiques à comprendre la théorie fondamentale des effets quantiques importants, elle ouvre également de nouvelles possibilités de contrôle de tels processus, par exemple en facilitant ou en inhibant des réactions chimiques.

L'étude est publiée dans le Science .

Dans le même numéro de Science magazine, une équipe de scientifiques de France et d'Espagne a publié un autre article, dans lequel une méthode complémentaire de spectroscopie photoélectronique résolue en temps est utilisée pour obtenir une vue sur la résonance de Fano.