Comment les molécules tournent-elles dans un solvant ? Répondre à cette question est compliqué, puisque la rotation moléculaire est perturbée par un très grand nombre d'atomes environnants. Pendant longtemps, les simulations informatiques à grande échelle ont été la principale approche pour modéliser les interactions molécule-solvant. Cependant, elles prennent beaucoup de temps et sont parfois irréalisables. Maintenant, Mikhail Lemeshko de l'Institut des sciences et technologies d'Autriche (IST Autriche) a prouvé que les angulons - un certain type de quasiparticule qu'il a proposé il y a deux ans - font, En réalité, forme lorsqu'une molécule est immergée dans de l'hélium superfluide. Cela offre une description simple et rapide de la rotation des molécules dans les solvants.

En physique, le concept de quasiparticules est utilisé comme technique pour simplifier la description des systèmes à plusieurs particules. À savoir, au lieu de modéliser des interactions fortes entre des milliards de particules individuelles, on identifie les éléments constitutifs du système qui n'interagissent que faiblement les uns avec les autres. Ces blocs de construction sont appelés quasiparticules et peuvent être constitués de groupes de particules. Par exemple, décrire les bulles d'air s'élevant dans l'eau à partir des premiers principes, il faudrait résoudre un énorme ensemble d'équations décrivant la position et la quantité de mouvement de chaque molécule d'eau. D'autre part, les bulles elles-mêmes peuvent être traitées comme des particules individuelles - ou quasi-particules - ce qui simplifie considérablement la description du système. Comme autre exemple, imaginez un cheval qui court englouti dans un nuage de poussière. On peut le considérer comme une quasi-particule constituée du cheval lui-même et du nuage de poussière se déplaçant avec lui. Comprendre ce qui se passe avec un tel «quasi-cheval» est nettement plus facile que de traiter chaque grain de poussière, ainsi que le cheval, séparément dans une simulation compliquée.

Ce dernier exemple est similaire à ce que Mikhail Lemeshko a fait dans son étude. Au lieu de traiter séparément la molécule en rotation et tous les atomes du matériau environnant, il a utilisé des angulons pour examiner le problème sous un autre angle. Quasiparticules d'Angulon, qui se forment lorsqu'un objet en rotation interagit avec un environnement environnant, ont été prédites théoriquement il y a deux ans par Lemeshko et Schmidt. Jusqu'à maintenant, cependant, elles n'étaient considérées que théoriques. L'étude de Lemeshko, qui a été publié aujourd'hui dans Lettres d'examen physique , est basé sur des données expérimentales recueillies par plusieurs laboratoires au cours des deux dernières décennies. Toutes les expériences avaient une chose en commun :des molécules de différents types ont été observées en rotation à l'intérieur de minuscules gouttelettes d'hélium superfluide. Comme Lemeshko l'a montré, indépendamment de la molécule étudiée, qu'il s'agisse d'espèces lourdes ou légères, méthane, l'eau, dioxyde de carbone ou ammoniac, le résultat de la théorie de l'angulon était toujours en bon accord avec les mesures. Cela indique que les quasiparticules angulon font, En effet, se forment à l'intérieur des gouttelettes d'hélium.

« Dans notre première étude, nous avons proposé des angulons comme possibilité de décrire la rotation des molécules dans les solvants. Maintenant, nous avons fourni des preuves solides que les angulons existent réellement, " dit Lemeshko. Cela simplifie considérablement les théories existantes à plusieurs particules et pourrait conduire à des applications en physique moléculaire, chimie théorique, et même la biologie.

Une première application de la théorie de l'angulon a été trouvée par Enderalp Yakaboylu, un postdoc dans le groupe de Lemeshko. Les auteurs ont prédit que même un milieu non polarisable peut protéger une impureté immergée d'un champ électromagnétique externe. Cet effet, ce qui semble contredire l'intuition, est appelé "écran anormal" et est causé par un échange de moment angulaire au niveau quantique. La découverte, que les auteurs ont publié dans Lettres d'examen physique , a été rendu possible en décrivant la particule chargée et l'environnement d'interaction comme une quasiparticule angulon. Les mesures futures montreront si la prédiction peut être prouvée expérimentalement.