Fig. 1 :Montage schématique de l'expérience. La double impulsion générée dans le premier échantillon induit une dynamique quantique dans les noyaux atomiques du deuxième échantillon, qui peut être contrôlé en retardant une partie de la double impulsion. Crédit :Société Max Planck
Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg a pour la première fois contrôlé de manière cohérente des excitations nucléaires à l'aide de rayons X de forme appropriée. Dans l'expérience réalisée au Synchrotron européen ESRF, ils ont atteint une stabilité de contrôle temporel de quelques zeptosecondes. Cela constitue la base de nouvelles approches expérimentales exploitant le contrôle de la dynamique nucléaire qui pourraient conduire à des normes temporelles futures plus précises et ouvrir de nouvelles possibilités sur la voie des batteries nucléaires.
Les expériences modernes sur la dynamique quantique peuvent contrôler dans une large mesure les processus quantiques des électrons dans les atomes au moyen de champs laser. Cependant, la vie interne des noyaux atomiques ne joue généralement aucun rôle car leur énergie caractéristique, les échelles de temps et de longueur sont si extrêmes qu'elles ne sont pratiquement pas affectées par les champs laser. De nouvelles approches insufflent un nouveau souffle à la physique nucléaire en exploitant cette insensibilité aux perturbations extérieures et en utilisant les échelles extrêmes des noyaux atomiques pour des mesures particulièrement précises. Ainsi, les noyaux atomiques peuvent répondre aux rayons X avec une énergie extrêmement bien définie en excitant des nucléons individuels, comme les électrons de la couche atomique. Ces transitions peuvent servir de mécanisme d'horlogerie pour des horloges nucléaires précises, et cela nécessite la mesure des propriétés nucléaires avec la plus grande précision.
Une équipe de chercheurs autour de physiciens de l'Institut Max Planck de physique nucléaire à Heidelberg a désormais franchi un pas en mesurant non seulement la dynamique quantique des noyaux atomiques, mais aussi en les contrôlant à l'aide d'impulsions de rayons X de forme appropriée avec une stabilité temporelle de quelques zeptosecondes jusqu'alors jamais atteinte, soit un facteur 100 de mieux que tout ce qui était atteint auparavant. Cela ouvre la boîte à outils du contrôle cohérent, qui a été établie avec succès en spectroscopie optique, aux noyaux atomiques, offrant des possibilités et des perspectives complètement nouvelles.
Le contrôle dit cohérent utilise les propriétés ondulatoires de la matière pour contrôler les processus quantiques via des champs électromagnétiques, par exemple. impulsions laser. En plus de la fréquence ou de la longueur d'onde, chaque phénomène ondulatoire est caractérisé par l'amplitude (hauteur des vagues) et la phase (position temporelle des crêtes et des creux des vagues). Une analogie simple est le contrôle d'une oscillation oscillante par périodique, poussée en forme de vague. Pour ça, la synchronisation exacte (phase) de la poussée par rapport au mouvement de balancement doit être contrôlée. Si la balançoire venant en sens inverse est poussée, il est décéléré. Si, d'autre part, ça s'éloigne, sa déviation est augmentée par la poussée.
Fig. 2 :Structures d'interférence des rayons X observées en fonction du temps (t) et du désaccord (δ) des deux échantillons l'un par rapport à l'autre. (a) Données de mesure pour le cas de l'excitation, (b) pour le cas d'excitation renforcée. Crédit :Société Max Planck
De manière analogue, les propriétés de mécanique quantique de la matière peuvent être contrôlées via une direction précise correspondante des champs laser appliqués. Au cours des dernières décennies, il y a eu de grands progrès et succès dans le contrôle cohérent des atomes et des molécules, avec une précision temporelle de la lumière jusqu'à l'attoseconde, la milliardième partie d'un milliardième de seconde, qui correspond à l'échelle de temps naturelle des électrons dans les atomes. Les objectifs de recherche importants avec des applications futures possibles sont, par exemple, la maîtrise des réactions chimiques ou le développement de nouvelles, des normes de temps plus précises.
Dans les années récentes, la disponibilité de nouvelles sources de rayonnement pour les rayons X de qualité laser (rayonnement synchrotron et lasers à électrons libres) a ouvert un nouveau domaine :l'optique quantique nucléaire. Des physiciens des départements de Christoph Keitel et Thomas Pfeifer du Max Planck Institute for Nuclear Physics (MPIK) à Heidelberg ont réussi pour la première fois à démontrer un contrôle cohérent des excitations nucléaires par les rayons X au Synchrotron européen ESRF (Grenoble, France) en coopération avec des chercheurs de DESY (Hambourg) et de l'Institut Helmholtz/Université Friedrich Schiller (Iéna). Une stabilité du contrôle cohérent de quelques zeptosecondes (un millième d'attoseconde) a été atteinte.
Dans l'expérience, les chercheurs autour du chef de projet Jörg Evers (MPIK) ont utilisé deux échantillons enrichis en l'isotope du fer 57Fe, qui sont irradiés avec de courtes impulsions de rayons X du synchrotron (Fig. 1). Dans le premier échantillon, ils ont généré une double impulsion de rayons X contrôlable, qui a ensuite été utilisé pour contrôler la dynamique des noyaux dans le deuxième échantillon. Les excitations nucléaires étudiées - qui se désexcitent à nouveau par émission de rayons X - sont caractérisées par une très grande netteté en énergie :ce que l'on appelle les transitions de Mössbauer. La découverte de l'effet sous-jacent (prix Nobel 1961) a été faite par Rudolf Mössbauer en 1958 au MPI pour la recherche médicale, à partir de laquelle le MPIK s'est détaché la même année.
Pour générer la double impulsion, les noyaux du premier échantillon sont excités par la courte impulsion de rayons X et, en raison de la netteté à haute énergie, libérer cette excitation comparativement lente sous la forme d'une seconde impulsion de rayons X. Dans l'expérience, l'échantillon est décalé rapidement entre l'excitation et la désexcitation d'une petite distance correspondant à environ la moitié de la longueur d'onde des rayons X. Cela change le temps de vol de la deuxième impulsion au deuxième échantillon, et décale ainsi la position des ondes des deux impulsions de rayons X (phase relative) l'une par rapport à l'autre.
Fig. 3 :Principe du contrôle cohérent à l'aide de l'exemple des diapasons représentant les deux échantillons de l'expérience. Un bang (bleu) fait vibrer les deux diapasons, analogue à l'impulsion synchrotron. Après le coup, le son de la première fourchette frappe en plus la deuxième fourchette, comme la deuxième partie de la double impulsion. Selon que ce son frappe la deuxième fourche en antiphase (a) ou en phase (b, le décalage d'une demi-longueur d'onde est visualisé par l'onde semi-transparente non décalée), son mouvement est atténué ou amplifié. De manière analogue, la dynamique quantique des noyaux atomiques peut être contrôlée via le déplacement des deux parties de la double impulsion. Crédit :Société Max Planck
Cette double impulsion permet maintenant de contrôler les noyaux dans le deuxième échantillon. La première impulsion excite une dynamique de mécanique quantique dans le noyau, analogue à l'oscillation oscillante. La deuxième impulsion change cette dynamique, en fonction de la phase relative des deux impulsions de rayons X. Par exemple, si l'onde de la deuxième impulsion frappe le deuxième échantillon en phase avec la dynamique nucléaire, les noyaux sont encore excités. En faisant varier la phase relative, les chercheurs ont pu basculer entre une excitation supplémentaire des noyaux et une désexcitation des noyaux, et ainsi contrôler l'état de mécanique quantique des noyaux. Ceci peut être reconstruit à partir des structures d'interférence mesurées du rayonnement X derrière le deuxième échantillon (Fig. 2).
Une analogie acoustique est illustrée à la Fig. 3 :Ici, les noyaux Mössbauer des échantillons correspondent à des diapasons excités par une brève détonation ("coup de départ, " analogue à l'impulsion synchrotron) et à son tour un son légèrement amorti avec leur fréquence définie avec précision. Le son de la première fourche frappe donc la deuxième fourche après le bang en tant qu'excitation supplémentaire. Dans le cas (a), cette onde sonore se déplace à l'opposé de la deuxième fourche, de sorte que son oscillation est désexcitée. Dans le cas (b), la première fourche est rapidement déplacée pour que son son corresponde plutôt au mouvement de la deuxième fourche et l'excite ainsi davantage.
Compte tenu des exigences extrêmes requises pour contrôler les noyaux atomiques (le déplacement du premier échantillon d'une demi-longueur d'onde est de l'ordre d'un rayon atomique), l'influence apparemment faible des perturbations externes sur la qualité de l'expérience est surprenante. Néanmoins, cela fonctionne - en raison de la courte durée d'une séquence de mesure, au cours de laquelle les principaux mouvements perturbateurs sont pratiquement figés. Cette stabilité est un préalable aux futures nouvelles applications basées sur les transitions nucléaires :étalons de temps plus précis, l'étude de la variation des constantes fondamentales ou la recherche d'une nouvelle physique au-delà des modèles admis.
Dans le domaine de la dynamique atomique, un contrôle de grande envergure est la clé de nombreuses applications. Les possibilités démontrées ici ouvrent la porte à de nouvelles approches expérimentales basées sur le contrôle de la dynamique nucléaire, par exemple. en préparant des noyaux notamment des états quantiques permettant des mesures plus précises. Dans la mesure où les futures sources de rayons X permettraient une excitation plus forte des noyaux, des batteries nucléaires capables de stocker et de libérer de grandes quantités d'énergie dans les excitations internes des noyaux sans fission ou fusion nucléaires seraient également envisageables.
