Qu'y a-t-il à l'intérieur d'un atome entre le noyau et l'électron ? D'habitude il n'y a rien, mais pourquoi n'y aurait-il pas aussi d'autres particules ? Si l'électron tourne autour du noyau à une grande distance, il y a beaucoup d'espace entre les autres atomes. Un "atome géant" pourrait être créé, rempli d'atomes ordinaires. Tous ces atomes forment une liaison faible, créer un nouveau, état exotique de la matière à froid, appelés polarons de Rydberg.

Une équipe de chercheurs vient de présenter cet état de la matière dans la revue Lettres d'examen physique . Les travaux théoriques ont été effectués à la TU Wien (Vienne) et à l'Université Harvard, l'expérience a été réalisée à la Rice University de Houston (Texas).

Deux domaines particuliers de la physique atomique, qui ne peut être étudié que dans des conditions extrêmes, ont été combinés dans ce projet de recherche :les condensats de Bose-Einstein et les atomes de Rydberg. Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière créé par des atomes à des températures ultrafroides, proche du zéro absolu. Les atomes de Rydberg sont ceux dans lesquels un seul électron est élevé dans un état hautement excité et orbite autour du noyau à une très grande distance.

"La distance moyenne entre l'électron et son noyau peut atteindre plusieurs centaines de nanomètres, c'est-à-dire plus de mille fois le rayon d'un atome d'hydrogène, " dit le professeur Joachim Burgdörfer. Avec le professeur Shuhei Yoshida (tous deux de la TU Wien, Vienne), il étudie les propriétés de ces atomes de Rydberg depuis des années.

D'abord, un condensat de Bose-Einstein a été créé avec des atomes de strontium. A l'aide d'un laser, l'énergie a été transférée à l'un de ces atomes, le transformer en un atome de Rydberg avec un rayon atomique énorme. Le rayon de l'orbite dans laquelle l'électron se déplace autour du noyau est beaucoup plus grand que la distance typique entre deux atomes dans le condensat. Par conséquent, l'électron tourne autour de son propre noyau atomique, tandis que de nombreux autres atomes se trouvent à l'intérieur de son orbite, trop. Selon le rayon de l'atome de Rydberg et la densité du condensat de Bose-Einstein, jusqu'à 170 atomes de strontium supplémentaires peuvent être enfermés par l'énorme orbite électronique.

Ces atomes ont une influence minime sur le trajet de l'électron de Rydberg. "Les atomes ne portent aucune charge électrique, donc, ils n'exercent qu'une force minimale sur l'électron, " dit Shuhei Yoshida. Mais dans une très faible mesure, l'électron est encore influencé par la présence des atomes neutres le long de son trajet. Il est dispersé au niveau des atomes neutres, mais seulement très légèrement, sans jamais quitter son orbite. La physique quantique des électrons lents permet ce genre de diffusion, qui ne transfère pas l'électron dans un état différent.

Comme le montrent les simulations informatiques, ce type d'interaction relativement faible diminue l'énergie totale du système, et un lien entre l'atome de Rydberg et les autres atomes à l'intérieur de l'orbite électronique est créé. "C'est une situation très inhabituelle, " dit Shuhei Yoshida. " Normalement, nous avons affaire à des noyaux chargés liant des électrons autour d'eux. Ici, nous avons un électron liant des atomes neutres."

Cette liaison est beaucoup plus faible que la liaison entre les atomes d'un cristal. Par conséquent, cet état exotique de la matière, appelés polarons de Rydberg, ne peut être détecté qu'à très basse température. Si les particules se déplaçaient plus vite, le lien se briserait. "Pour nous, ce nouveau, l'état faiblement lié de la matière est une nouvelle possibilité passionnante d'étudier la physique des atomes ultrafroids, " explique Joachim Burgdörfer. " De cette façon, on peut sonder les propriétés d'un condensat de Bose-Einstein à de très petites échelles avec une très grande précision. "