De nouvelles recherches menées par des physiciens de l'Université de Chicago règlent un désaccord de longue date sur la formation de particules quantiques exotiques connues sous le nom de molécules d'Efimov.

Les résultats, publié le mois dernier dans Physique de la nature , aborder les différences entre la façon dont les théoriciens disent que les molécules d'Efimov devraient se former et la façon dont les chercheurs disent qu'elles se sont formées dans les expériences. L'étude a révélé que l'image simple formulée par les scientifiques sur la base de près de 10 ans d'expérimentation était erronée - un résultat qui a des implications pour comprendre comment les premières molécules complexes se sont formées dans l'univers primitif et comment des matériaux complexes sont apparus.

Les molécules d'Efimov sont des objets quantiques formés de trois particules qui se lient lorsque deux particules sont incapables de le faire. Les trois mêmes particules peuvent fabriquer des molécules dans une gamme infinie de tailles, en fonction de la force des interactions entre eux.

Des expériences avaient montré que la taille d'une molécule d'Efimov était à peu près proportionnelle à la taille des atomes qui la composent, une propriété que les physiciens appellent l'universalité.

"Cette hypothèse a été vérifiée et revérifiée plusieurs fois au cours des 10 dernières années, et presque toutes les expériences suggèrent que c'est bien le cas, " dit Cheng Chin, professeur de physique à UChicago, qui dirige le laboratoire où les nouvelles découvertes ont été faites. "Mais certains théoriciens disent que le monde réel est plus compliqué que cette simple formule. Il devrait y avoir d'autres facteurs qui briseront cette universalité."

Les nouvelles découvertes se situent quelque part entre les découvertes expérimentales précédentes et les prédictions des théoriciens. Ils contredisent les deux et suppriment l'idée d'universalité.

"Je dois dire que je suis surpris, " a déclaré Chin. "C'était une expérience où je n'avais pas anticipé le résultat avant d'avoir les données."

Les données proviennent d'expériences extrêmement sensibles réalisées avec des atomes de césium et de lithium en utilisant des techniques conçues par Jacob Johansen, auparavant un étudiant diplômé du laboratoire de Chin qui est maintenant un boursier postdoctoral à l'Université Northwestern. Krutik Patel, un étudiant diplômé à UChicago, et Brian DeSalvo, chercheur postdoctoral à UChicago, également contribué aux travaux.

"Nous voulions pouvoir dire une fois pour toutes que si nous ne voyions aucune dépendance vis-à-vis de ces autres propriétés, alors il y a vraiment quelque chose qui ne va vraiment pas avec la théorie, " a déclaré Johansen. " Si nous voyions la dépendance, alors nous assistons à la rupture de cette universalité. ça fait toujours du bien, en tant que scientifique, pour résoudre ce genre de questions."

Développer de nouvelles techniques

Les molécules d'Efimov sont maintenues ensemble par des forces quantiques plutôt que par des liaisons chimiques qui lient des molécules familières telles que H2O. Les atomes sont si faiblement connectés que les molécules ne peuvent pas exister dans des conditions normales. Chaleur dans une pièce fournissant suffisamment d'énergie pour briser leurs liens.

Les expériences sur la molécule Efimov ont été réalisées à des températures extrêmement basses - 50 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu - et sous l'influence d'un fort champ magnétique, qui est utilisé pour contrôler l'interaction des atomes. Lorsque l'intensité du champ est dans un particulier, fourchette étroite, l'interaction entre les atomes s'intensifie et des molécules se forment. En analysant les conditions précises dans lesquelles se produit la formation, les scientifiques peuvent déduire la taille des molécules.

Mais contrôler le champ magnétique avec suffisamment de précision pour effectuer les mesures recherchées par Johansen est extrêmement difficile. Même la chaleur générée par le courant électrique utilisé pour créer le champ était suffisante pour changer ce champ, le rendant difficile à reproduire dans les expériences. Le champ pouvait fluctuer à un niveau de seulement une partie sur un million – mille fois plus faible que le champ magnétique terrestre – et Johansen a dû le stabiliser et surveiller son évolution au fil du temps.

La clé était une technique qu'il avait développée pour sonder le champ en utilisant l'électronique micro-ondes et les atomes eux-mêmes.

"Je considère ce que Jacob a fait comme un tour de force, " a déclaré Chin. " Il peut contrôler le champ avec une telle précision et effectuer des mesures très précises sur la taille de ces molécules Efimov et pour la première fois les données confirment vraiment qu'il y a un écart significatif de l'universalité. "

Les nouvelles découvertes ont des implications importantes pour comprendre le développement de la complexité dans les matériaux. Les matériaux normaux ont des propriétés diverses, qui n'aurait pas pu se produire si leur comportement au niveau quantique était identique. Le système Efimov à trois corps place les scientifiques au point où le comportement universel disparaît.

"Tout système quantique composé de trois particules ou plus est un très, problème très difficile, " a déclaré Chin. " Ce n'est que récemment que nous avons vraiment la capacité de tester la théorie et de comprendre la nature de ces molécules. Nous progressons dans la compréhension de ces petits amas quantiques. Ce sera une pierre angulaire pour comprendre des matériaux plus complexes. »