Une nouvelle porte vers le monde quantique s'est ouverte :lorsqu'un atome absorbe ou libère de l'énergie via le saut quantique d'un électron, il devient plus lourd ou plus léger. Cela peut s'expliquer par la théorie de la relativité d'Einstein (E =mc ² ). Cependant, l'effet est minuscule pour un seul atome. Néanmoins, l'équipe de Klaus Blaum et Sergey Eliseev de l'Institut Max Planck de physique nucléaire a réussi pour la première fois à mesurer ce changement infinitésimal de la masse d'atomes individuels. Pour y parvenir, ils ont utilisé la balance atomique ultra-précise Pentatrap de l'Institut de Heidelberg. L'équipe a découvert un état quantique non observé auparavant dans le rhénium, ce qui pourrait être intéressant pour les futures horloges atomiques. Par dessus tout, cette balance atomique extrêmement sensible permet de mieux comprendre le monde quantique complexe des atomes lourds.

Étonnant, mais vrai :si vous remontez une montre mécanique, il devient plus lourd. La même chose se produit lorsque vous chargez votre smartphone. Cela peut s'expliquer par l'équivalence de l'énergie (E) et de la masse (m), qu'Einstein a exprimé dans la formule la plus connue de la physique :E =mc ² (c :vitesse de la lumière dans le vide). Cependant, cet effet est si faible qu'il échappe complètement à notre expérience quotidienne. Une balance conventionnelle ne serait pas en mesure de le détecter.

Mais à l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg, il y a un équilibre qui peut :Pentatrap. Il peut mesurer le minuscule changement de masse d'un seul atome lorsqu'un électron absorbe ou libère de l'énergie via un saut quantique, ouvrant ainsi un nouveau monde pour la physique de précision. De tels sauts quantiques dans les couches électroniques des atomes façonnent notre monde, que ce soit dans la photosynthèse vivifiante et les réactions chimiques générales ou dans la création de la couleur et de notre vision.

Une fourmi sur un éléphant

Rima Schüssler, actuellement post-doctorant au Max Planck Institute for Nuclear Physics, a aidé à construire Pentatrap depuis la fin de sa thèse de maîtrise en 2014. Elle est l'auteur principal d'un article sur une découverte inattendue réalisée en collaboration avec le Centre Max Planck PTB Riken :In rhenium, il existe un état quantique électronique non encore découvert avec des propriétés spéciales. Schüssler utilise l'analogie suivante pour décrire le degré de sensibilité avec lequel Pentatrap peut détecter le saut d'un électron dans cet état quantique via le changement de masse d'un atome de rhénium :« En pesant un éléphant de six tonnes, nous avons pu déterminer si une fourmi de dix milligrammes rampait dessus."

Pentatrap se compose de cinq pièges Penning. Pour qu'un tel piège puisse peser un atome, il doit être chargé électriquement (c'est-à-dire devenir un ion). Parce que le rhénium a été dépouillé de 29 de ses 75 électrons, il est très chargé. Cela augmente considérablement la précision de la mesure. Le piège capture cet ion rhénium hautement chargé en combinant un champ magnétique et un champ électrique de forme spéciale. À l'intérieur, il se déplace selon une trajectoire circulaire, qui est intimement tordu en lui-même. En principe, il peut être considéré comme une balle sur une corde, qui est autorisé à tourner dans l'air. Si cela est fait avec une force constante, une balle plus lourde tourne plus lentement qu'une balle plus légère.

Un état quantique à vie extrêmement longue dans le rhénium

A Pentatrap, deux ions rhénium tournaient alternativement dans les pièges empilés. Un ion était dans l'état quantique énergétiquement le plus bas. Lorsque le deuxième ion a été généré, un électron a été excité au hasard dans un état supérieur en fournissant de l'énergie. Dans un sens, c'était la montre à remontage. En raison de l'énergie stockée, il est devenu légèrement plus lourd et a donc circulé plus lentement que le premier ion. Pentatrap compte précisément le nombre de tours par unité de temps. La différence dans le nombre de tours a donné l'augmentation du poids.

En utilisant cette méthode, l'équipe a découvert un état quantique à durée de vie extrêmement longue dans le rhénium. Il est métastable (c'est-à-dire qu'il se désintègre après une certaine durée de vie). Selon les calculs des théoriciens de l'institut dirigé par Zoltán Harman et Christoph H. Keitel, l'Université de Heidelberg, et le Laboratoire Kastler Brossel à Paris, cela fait 130 jours. La position de l'état quantique s'accorde également assez bien avec les calculs de modèles utilisant des méthodes de mécanique quantique de pointe.

Application possible dans les futures horloges atomiques

De tels états électroniques excités dans des ions hautement chargés sont intéressants pour la recherche fondamentale ainsi que pour une application possible dans les futures horloges atomiques, comme le groupe de travail José Crespo López-Urrutia de l'Institut en coopération avec la Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Pour eux, l'état métastable du rhénium est attrayant pour plusieurs raisons. D'abord, en raison de sa longévité, elle correspond à une fréquence orbitale pointue de l'électron autour du noyau atomique. Seconde, l'électron peut être excité avec une lumière douce aux rayons X pour sauter dans cet état quantique. En principe, une telle horloge pourrait tourner plus vite et donc encore plus précisément que la génération actuelle d'horloges atomiques optiques. Cependant, selon Ekkehard Peik, qui est en charge du Département Temps et Fréquence au PTB et qui n'a pas été impliqué dans les travaux, il est encore trop tôt pour spéculer si la découverte pourrait convenir à une nouvelle génération d'horloges atomiques.

"Néanmoins, cette nouvelle méthode de découverte des états quantiques à vie longue est spectaculaire, " dit le physicien. Il imagine que les horloges atomiques fonctionnant avec de tels nouveaux états quantiques pourraient initialement offrir un nouveau champ d'essai pour la recherche fondamentale. Parce que les ions rhénium manquent de nombreux électrons qui se protègent mutuellement, les électrons restants ressentent particulièrement fortement le champ électrique du noyau atomique. Les électrons parcourent donc le noyau à des vitesses si élevées que leur mouvement doit être décrit à l'aide de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein. Avec la nouvelle balance atomique, il serait également possible de tester avec une grande précision si la relativité restreinte et la théorie quantique interagissent comme décrit par cette théorie.

En général, le nouvel équilibre atomique offre un nouvel accès à la vie intérieure de type quantique des atomes plus lourds. Parce que ceux-ci sont constitués de nombreuses particules - électrons, protons, et les neutrons - ils ne peuvent pas être calculés exactement. Les modèles atomiques pour les calculs théoriques sont donc basés sur des simplifications, et ceux-ci peuvent maintenant être vérifiés avec une extrême précision. Il pourrait être possible d'utiliser de tels atomes comme sondes dans la recherche de particules inconnues, qui ne peut être détecté que par la force gravitationnelle extrêmement faible. Cette matière noire est l'un des plus grands mystères non résolus de la physique.

En route vers une nouvelle physique

Une étape importante vers l'accès à une nouvelle physique avec des méthodes atomiques-physiques a également été réalisée avec Pentatrap [Phys. Rév. Lett. 124, 113001]. Les chercheurs d'Heidelberg ont effectué des mesures de masse sur une chaîne de cinq paires d'isotopes du xénon. En utilisant la spectroscopie laser haute résolution sur des chaînes similaires d'autres éléments tels que le calcium et l'ytterbium, une relation linéaire peut être déduite des petites différences d'énergie (déplacement isotopique). Des écarts non linéaires par rapport à cela peuvent, cependant, être une indication de la nouvelle physique (autres interactions fondamentales, de nouvelles particules, matière noire), qui se manifeste sous une observation extrêmement précise, une alternative aux expériences à haute énergie. Ici aussi, une coopération étroite avec la théorie (groupe de Zoltan Harman au MPIK) doit être soulignée. La mesure directe de l'énergie de liaison d'un électron dans un ion fortement chargé montre un très bon accord avec les calculs relativistes de la structure atomique. Cela crée la base, par ex. pour les futurs tests de haute précision de l'électrodynamique quantique.