Dans le monde de la recherche, la diffusion est comprise comme un processus dans lequel de minuscules particules se dispersent uniformément dans un gaz ou un liquide. Bien que ces milieux soient constitués de particules individuelles, la diffusion est perçue comme un processus continu. Jusque là, les effets d'une collision individuelle entre particules – pierre angulaire de la diffusion – n'avaient pas été observés. Maintenant, des physiciens de Kaiserslautern et d'Erlangen ont réussi à observer les étapes fondamentales de la diffusion par des atomes individuels dans un gaz et ont fourni une description théorique de ce mécanisme. L'étude a été publiée dans la célèbre revue Lettres d'examen physique .
Il y a presque deux cents ans, le médecin et chercheur écossais Robert Brown a observé que les particules de pollen frémissent lorsqu'elles se déplacent dans un liquide. Minuscules particules, comme des molécules ou des atomes, présentent un comportement similaire lorsqu'ils se dispersent dans les gaz et les liquides. Résultant d'un grand nombre de collisions aléatoires, les particules présentent un motif en zigzag de mouvements provoquant le mélange de diverses substances. Les scientifiques appellent ces mouvements en zigzag le « mouvement brownien » et la dispersion et le mélange de diverses substances sous le nom de diffusion.
« La diffusion est un phénomène clé dans de nombreux domaines de la science et constitue la base de nombreux processus de transport, par exemple dans des cellules vivantes ou des dispositifs de stockage d'énergie, " dit le professeur Artur Widera, qui mène des recherches sur la physique quantique des atomes individuels et des gaz quantiques ultrafroids à la TU Kaiserslautern. « C'est pourquoi il est important de comprendre les processus de diffusion dans presque tous les domaines des sciences de la vie, les sciences naturelles, et le développement technologique."
Un facile, une compréhension simplifiée de la diffusion peut être obtenue en faisant abstraction des collisions individuelles entre les particules. "Dans ce contexte, on parle aussi de milieu continu avec, par exemple, une particule plus grosse s'y diffusant. Cette simplification devient d'autant plus précise que la masse des particules dans le milieu devient plus petite et la fréquence des collisions devient plus élevée, " dit le Dr Michael Hohmann, qui est chercheur dans le groupe du professeur Widera et premier auteur de cette étude. Un exemple quotidien est le brouillard, qui peut également être considéré comme un milieu de ce type bien qu'il se compose en réalité de minuscules gouttelettes d'eau individuelles.
Pour leurs expériences, les physiciens travaillant sous Widera ont peaufiné les conditions qui caractérisent un milieu continu :« Au lieu de grosses particules, comme le pollen, nous avons étudié la diffusion d'atomes individuels qui ont presque la même masse que les atomes du gaz. Par ailleurs, nous avons utilisé un très froid, diluer le gaz afin de réduire drastiquement la fréquence des collisions, " explique Hohmann. Ce faisant, les chercheurs basés à Kaiserslautern ont observé, pour la première fois, comment les atomes de césium diffusent à une température proche du zéro absolu dans un gaz composé d'atomes de rubidium. "Ce sont des températures qu'aucun réfrigérateur ne peut reproduire, nous avons donc utilisé des faisceaux laser pour refroidir les atomes et les maintenir en place dans un appareil à vide. Cela a ralenti la diffusion à un point tel que l'effet de collisions individuelles a pu être observé, " explique le professeur Widera à propos du montage expérimental.
Pour la description théorique de l'expérience, les chercheurs de Kaiserslautern ont été aidés par leur collègue le professeur Eric Lutz, professeur de physique théorique à la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), qui les a aidés à développer la modélisation mathématique. "Avec le nouveau modèle, nous pouvons maintenant décrire plus précisément les mouvements des atomes, " dit le chercheur basé à Erlangen. Ensemble, ils ont montré qu'il suffit de modifier le coefficient de frottement dans le calcul théorique à partir du modèle continu. En faisant cela, il est également possible de décrire des cas qui ne font pas intervenir de milieu continu, comme dans l'expérience ci-dessus. Des exemples de tels cas incluent lorsque les aérosols - mélanges de particules en suspension - se dispersent en fines couches d'air dans la haute atmosphère, dans l'espace interstellaire ou dans les systèmes à vide.
