Des chercheurs de l'Université de Bâle ont développé une nouvelle méthode avec laquelle des molécules isolées individuelles peuvent être étudiées avec précision, sans détruire la molécule ni même influencer son état quantique. Cette technique très sensible pour sonder des molécules est largement applicable et ouvre la voie à une gamme de nouvelles applications dans les domaines de la science quantique, spectroscopie et chimie, comme la revue Science rapports.

Les analyses spectroscopiques sont basées sur l'interaction de la matière avec la lumière et représentent l'outil expérimental le plus important pour étudier les propriétés des molécules. Dans des expériences spectroscopiques typiques, un échantillon contenant un grand nombre de molécules est irradié directement. Les molécules ne peuvent absorber la lumière qu'à des longueurs d'onde bien définies qui correspondent à des différences d'énergie entre deux de leurs états quantiques. C'est ce qu'on appelle une excitation spectroscopique.

Au cours de ces expériences, les molécules sont perturbées et changent d'état quantique. Dans de nombreux cas, les molécules doivent même être détruites pour détecter les excitations spectroscopiques. L'analyse des longueurs d'onde et des intensités de ces excitations renseigne sur la structure chimique des molécules et leurs mouvements tels que les rotations ou les vibrations.

Inspiré des méthodes quantiques développées pour la manipulation des atomes, le groupe de recherche du Prof. Stefan Willitsch au Département de Chimie de l'Université de Bâle a développé une nouvelle technique qui permet des mesures spectroscopiques au niveau d'une seule molécule, ici à titre d'exemple un single, molécule d'azote chargée. La nouvelle technique ne perturbe pas la molécule ni même son état quantique.

Dans leurs expériences, la molécule est piégée dans un piège à radiofréquence et refroidie jusqu'au point zéro absolu de l'échelle de température (environ -273 °C). Pour activer le refroidissement, un atome auxiliaire (ici un seul, atome de calcium chargé) est simultanément piégé et localisé à côté de la molécule. Cette proximité spatiale est également essentielle pour l'étude spectroscopique ultérieure de la molécule.

Une seule molécule dans un réseau optique

Ensuite, une force est générée sur la molécule en focalisant deux faisceaux laser sur les particules pour former un réseau dit optique. L'intensité de cette force optique augmente avec la proximité de la longueur d'onde irradiée à une excitation spectroscopique dans la molécule entraînant une vibration de la molécule à l'intérieur du piège au lieu de son excitation.

La force de la vibration est ainsi liée à la proximité d'une transition spectroscopique et est transmise à l'atome de calcium voisin à partir duquel elle est détectée avec une grande sensibilité. De cette façon, les mêmes informations sur la molécule peuvent être récupérées que dans une expérience spectroscopique conventionnelle.

Cette méthode, qui est un nouveau type de spectroscopie de force, introduit plusieurs nouveaux concepts :il repose sur des molécules uniques au lieu de grands ensembles. Seconde, il s'agit d'une technique totalement non invasive car la détection s'effectue indirectement (via un atome voisin) et sans excitation directe de transitions spectroscopiques. Par conséquent, l'état quantique de la molécule est laissé intact, afin que la mesure puisse être répétée en continu. Par conséquent, la méthode est beaucoup plus sensible que les méthodes spectroscopiques établies qui reposent sur l'excitation directe et la destruction d'un grand nombre de molécules.

Applications dans des horloges et des blocs de construction extrêmement précis pour les ordinateurs quantiques

Il existe une gamme d'applications prospectives de la nouvelle méthode, Le professeur Willitsch explique :« Notre type de spectroscopie de force permet des mesures extrêmement précises sur des molécules qui ne sont pas possibles avec les techniques spectroscopiques conventionnelles. Avec la nouvelle méthode, on peut étudier les propriétés moléculaires et les réactions chimiques dans des conditions très sensibles et précisément définies au niveau d'une molécule unique. Cela ouvre également la voie à des enquêtes sur des questions fondamentales telles que celle de savoir si les constantes physiques sont réellement constantes ou varient avec le temps. Une application plus pratique pourrait être le développement d'une horloge ultraprécise basée sur une seule molécule, ou l'application de molécules comme blocs de construction pour les ordinateurs quantiques. »