Echos, les sons qui se répètent ou se réverbèrent à la suite d'ondes réfléchies vers l'auditeur, se produisent dans plusieurs systèmes physiques. Dans la recherche en physique, les échos sont généralement utilisés pour éliminer les effets de déphasage causés par les interactions d'un système avec l'environnement, ainsi que de dévoiler les propriétés inhérentes à certains objets.

Des chercheurs de l'Institut des sciences Weizmann et de l'Université normale de Chine orientale (ECNU) ont observé expérimentalement des échos de paquets d'ondes quantiques dans un seul, molécule isolée. Leurs découvertes, récemment publié dans Physique de la nature , pourrait introduire de nouveaux outils pour sonder les processus intramoléculaires ultrarapides dans les molécules.

"Ce travail est né d'une discussion que nous avons eue avec nos collègues chinois en 2017, pendant le FRISN, un atelier sur l'optique non linéaire organisé par l'Institut Weizmann dans un kibboutz pittoresque Ein Gedi, juste à côté de la mer Morte, " Professeur Ilya Averbukh, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Précédemment, nous avons eu une collaboration continue et fructueuse avec le groupe de Shanghai, ainsi qu'avec une équipe française de l'Université de Bourgogne, Dijon, en se concentrant sur les échos dans la rotation moléculaire."

L'analyse théorique initialement réalisée par Averbukh et ses collègues a suggéré que les échos rotationnels observés dans les gaz moléculaires devraient avoir leurs homologues dans la dynamique vibrationnelle moléculaire, une prédiction qui a été confirmée plus tard par leurs expériences. Une fois qu'ils ont commencé à mener des expériences, cependant, les chercheurs se sont rendu compte que le système de mesure utilisé à l'ECNU permet également l'observation de ce qu'on appelle "l'effet d'écho" dans les gaz extrêmement raréfiés, et potentiellement même dans une seule molécule.

L'appareil utilisé par les chercheurs de l'institution chinoise est, En réalité, capable de détecter des signaux provenant de molécules individuelles, un à la fois. Quand ils ont compris cela, l'équipe a entrepris d'étudier les échos de paquets d'ondes quantiques dans une molécule individuelle. Les molécules utilisées dans leur expérience étaient vibratoirement froides, par conséquent, l'interaction de toutes les molécules avec les champs laser a commencé à partir du même état initial et est régie par les règles de la mécanique quantique.

"D'habitude, des échos apparaissent dans des ensembles contenant de nombreux spins, atomes ou molécules dont les propriétés sont légèrement dispersées, " Averbukh a dit. " Dans le cas des molécules simples, l'« incertitude » nécessaire est introduite par la magie de la mécanique quantique. Alors que toutes les molécules partent du même état initial et qu'elles sont excitées par exactement les mêmes champs laser, leur état après l'excitation n'est pas entièrement connu et les molécules existent dans une « superposition » de plusieurs états vibrationnels quantiques. »

Les effets étudiés par Averbukh et ses collègues ressemblent à ceux introduits dans une célèbre expérience de pensée de Richard Feynman, qui a remporté le prix Nobel de physique en 1965. Dans cette "expérience de gedanken", Feynman a envisagé d'envoyer des électrons un par un à travers deux fentes rapprochées, et collecter le signal d'un écran derrière ces fentes. Si aucune mesure supplémentaire n'est introduite, les lois de la mécanique quantique empêchent les chercheurs de savoir par quelle fente chaque électron individuel est passé. Par conséquent, tandis que les électrons individuels sont dispersés au hasard autour de l'écran, lorsque l'expérience est répétée plusieurs fois, les clics individuels sur l'écran forment un motif d'interférence causé par cette « incertitude quantique ».

"Dans notre cas, l'interférence quantique se produit à l'intérieur de chaque molécule individuelle et elle se manifeste dans le domaine temporel plutôt que dans l'espace régulier, " Averbukh a expliqué. " Dans un certain sens, notre travail présente une version intramoléculaire résolue en temps de l'expérience de pensée de Feynman."

Dans les expériences menées par Averbukh et ses collègues, la dynamique spatio-temporelle des échos de paquets d'ondes quantiques dans une seule molécule isolée a été visualisée avec des résolutions femtoseconde et angström. Pour faire ça, les chercheurs ont utilisé une technique de détection de coïncidence conçue par l'équipe de l'ECNU dans une chambre à ultravide.

"Les molécules interagissent une à une avec les impulsions laser et sont mesurées individuellement, " Professeur Jian Wu, qui a dirigé l'équipe réalisant les expériences à l'ECNU, dit Phys.org. "Semblable aux expériences d'interférence" à particule unique ", par exemple., des électrons simples ou des photons simples traversant une double fente, ici, la mesure est répétée plusieurs fois jusqu'à ce que la distribution de probabilité des échos d'une seule molécule soit clairement visualisée dans l'espace et le temps."

En excitant impulsivement des ondes vibratoires dans la molécule, les chercheurs ont pu observer leurs oscillations et leur dispersion dans le temps. Cela leur a permis d'identifier deux mécanismes clés derrière la formation d'échos dans les molécules, à savoir, une forte secousse du potentiel moléculaire et la création d'un « trou » induit par l'épuisement dans la distribution de l'espace nucléaire.

L'observation d'un écho à partir d'une seule molécule est un résultat inhabituel. La plupart des études précédentes se sont concentrées sur les échos se produisant dans une distribution inhomogène de molécules, où l'écho était généralement utilisé pour éliminer les variations individuelles entre différentes molécules. L'équipe à l'origine de la présente étude, d'autre part, était capable de sonder intrinsèquement les propriétés internes d'une seule molécule, recueillir de nouveaux résultats intéressants.

"Nos expériences sur la molécule unique rejoignent un petit nombre d'expériences apparentées, comme l'interférence d'un seul électron ou d'un seul atome ou d'un seul photon (par exemple, dans une expérience de Young à deux fentes) et en tant que tel, ils fournissent une perspective supplémentaire sur l'élément fondamental de la dualité onde-particule en mécanique quantique, " Professeur Yehiam Prior, un autre chercheur qui a mené l'étude, dit Phys.org.

Jusque là, les scientifiques du Weizmann Institute of Science et de l'ECNU ont réalisé leurs expériences sur de petites molécules individuelles. À l'avenir, cependant, leur procédure pourrait, en principe, être utilisé pour étudier les échos dans des objets plus grands avec de nombreux degrés de liberté internes, permettant l'étude de ces degrés de liberté internes dans des molécules isolées. En outre, leurs découvertes pourraient ouvrir la voie au développement d'outils plus efficaces pour sonder des processus spécifiques dans différentes molécules.

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