Image du carré de la fonction d'onde d'une molécule d'hydrogène avec deux électrons. Crédit :Waitz et al. Publié dans Communication Nature
Pour la première fois, les physiciens ont développé une méthode pour visualiser visuellement l'intrication entre les électrons. Comme ces corrélations jouent un rôle de premier plan dans la détermination de la fonction d'onde d'une molécule, qui décrit l'état quantique de la molécule, les chercheurs ont ensuite utilisé la nouvelle méthode pour produire les premières images du carré de la fonction d'onde à deux électrons d'un hydrogène (H
Bien que de nombreuses techniques existent déjà pour imager les électrons individuels des atomes et des molécules, c'est la première méthode qui peut directement imager les corrélations entre les électrons et permettre aux chercheurs d'explorer comment les propriétés des électrons dépendent les unes des autres.
Les chercheurs, M. Waitz et al., de divers instituts en Allemagne, Espagne, les Etats Unis, Russie, et l'Australie, ont publié un article sur la nouvelle méthode d'imagerie dans un récent numéro de Communication Nature .
« Il existe d'autres méthodes qui permettent de reconstruire des corrélations à partir de différentes observations; cependant, à ma connaissance, c'est la première fois que l'on obtient un direct image de corrélations en regardant simplement un spectre, " a déclaré le co-auteur Fernando Martín à l'Universidad Autónoma de Madrid Phys.org . "Les spectres enregistrés sont identiques aux transformées de Fourier des différents morceaux du carré de la fonction d'onde (ou de manière équivalente, à la représentation des différentes parties de la fonction d'onde dans l'espace des impulsions). Aucune reconstruction, filtrage ou transformation n'est nécessaire :le spectre reflète directement des éléments de la fonction d'onde dans l'espace de quantité de mouvement. »
La nouvelle méthode consiste à combiner deux méthodes d'imagerie déjà largement utilisées :l'imagerie photoélectronique et la détection coïncidente de fragments de réaction. Les chercheurs ont utilisé simultanément les deux méthodes en utilisant la première méthode sur un électron pour projeter cet électron sur un détecteur, et en utilisant la deuxième méthode sur l'autre électron pour déterminer comment ses propriétés changent en réponse.
L'utilisation simultanée des deux méthodes révèle comment les deux électrons sont corrélés et produit une image du carré du H
"La fonction d'onde n'est pas observable en physique quantique, donc on ne peut pas l'observer, " a déclaré Martín. "Seul le carré de la fonction d'onde est observable (si vous avez les outils pour le faire). C'est l'un des principes de base de la physique quantique. Ceux qui prétendent être capables d'observer la fonction d'onde n'utilisent pas le bon langage car ce n'est pas possible :ce qu'ils font, c'est la reconstruire à partir de quelques spectres mesurés en faisant quelques approximations. Cela ne peut jamais être une observation directe."
Les chercheurs s'attendent à ce que la nouvelle approche puisse également être utilisée pour imager des molécules avec plus de deux électrons, en détectant les fragments de réaction de plusieurs électrons. La méthode pourrait également conduire à la capacité d'imager les corrélations entre les fonctions d'onde de plusieurs molécules.
"Évidemment, l'étape naturelle à suivre est d'essayer une méthode similaire dans des molécules plus compliquées, " dit Martín. " Très probablement, la méthode fonctionnera pour les petites molécules, mais il n'est pas clair si cela fonctionnera dans des molécules très complexes. Non pas à cause des limites de l'idée de base, mais principalement en raison de limitations expérimentales, car les expériences de coïncidence dans des molécules complexes sont beaucoup plus difficiles à analyser en raison des nombreux degrés de liberté nucléaires. »
La capacité de visualiser les corrélations électron-électron et les fonctions d'onde moléculaire correspondantes a des implications de grande envergure pour comprendre les propriétés fondamentales de la matière. Par exemple, l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour l'approximation d'une fonction d'onde, appelée méthode Hartree-Fock, ne tient pas compte des corrélations électron-électron et, par conséquent, est souvent en désaccord avec les observations.
En outre, les corrélations électron-électron sont au cœur d'effets quantiques fascinants, telles que la supraconductivité (lorsque la résistance électrique tombe à zéro à des températures très froides) et la magnétorésistance géante (lorsque la résistance électrique diminue considérablement en raison de l'alignement parallèle de l'aimantation des couches magnétiques voisines). Les corrélations électroniques jouent également un rôle dans l'émission simultanée de deux électrons à partir d'une molécule qui a absorbé un seul photon, un phénomène appelé "double ionisation à photon unique".
Et enfin, les résultats peuvent également conduire à des applications pratiques, telles que la capacité de réaliser une imagerie de corrélation avec des lasers à électrons de champ et avec des sources de rayons X à base de laser.
© 2018 Phys.org
