Imagerie des atomes dans le mouvement des ondes quantiques

Des physiciens du Laboratoire Kastler Brossel à Paris ont mis au point une nouvelle technique puissante pour observer directement le comportement ondulatoire des atomes individuels lorsqu'ils se déplacent dans l'espace. En contrôlant avec précision des atomes ultrafroids à l'aide de lasers et en les visualisant à l'aide d'un microscope de pointe, les chercheurs ont obtenu certaines des preuves les plus claires à ce jour de l'existence d'ondes de matière en action. Leurs résultats, publiés récemment dans une préimpression, donnent un aperçu passionnant du monde quantique mystérieux des particules individuelles.

Selon les règles étranges de la mécanique quantique, toutes les particules ont des propriétés à la fois ondulatoires et particulaires. À l'échelle des atomes et plus petits, les objets se comportent subtilement comme des ondes même s'ils restent des particules distinctement dénombrables. Les expériences passées ont permis d'étudier indirectement les ondes de la matière grâce aux effets de diffusion, mais l'imagerie directe des ondes atomiques individuelles s'est avérée difficile. L'équipe française a tenté de remédier à cette situation en mettant au point une méthode permettant de projeter en douceur les fonctions d'ondes atomiques sur un réseau optique, puis de localiser avec précision les positions atomiques grâce à l'imagerie d'une seule particule.

Joris Verstraten, Kunlun Dai, Maxime Dixmerias, Bruno Peaudecerf, Tim de Jongh, Tarik Yefsah

Préparation et imagerie in situ de paquets d'ondes à un seul atome. (a) Schéma de mesure : Des atomes individuels sont préparés à proximité de l'état fondamental de l'oscillateur harmonique de sites individuels d'un réseau optique triangulaire créé par un faisceau laser auto-interférent avec des vecteurs d'onde 𝐤𝟏, 𝐤𝟐 et 𝐤𝟑. Les paquets d'ondes initialement piégés dans les puits du réseau, caractérisés par une distribution de densité de probabilité gaussienne |𝜓0(𝐫)|2 , sont libérés dans un plan, ce qui leur permet de s'étendre pendant un temps donné. Pour l'imagerie après l'expansion, le réseau est rapidement remonté, projetant le paquet d'ondes, et le refroidissement par bande latérale Raman est appliqué pour fixer l'atome sur un seul site. Les positions atomiques résultantes sont enregistrées par imagerie de fluorescence résolue par site. À partir de nombreuses répétitions de paquets d'ondes préparés de manière identique, nous créons des histogrammes des positions projetées avec une discrétisation donnée par la structure du réseau, ce qui donne une distribution de probabilité mesurée |𝜓0(𝐫)|2. (b) Image résolue expérimentale d'un seul atome. Le panneau supérieur droit montre une sous-région contenant un atome individuel. Le panneau inférieur droit montre une région agrandie de l'image sur laquelle la structure du réseau triangulaire reconstruite avec un espacement de 𝑎𝐿=709 nm est représentée par des points blancs. (c) Configuration expérimentale du piège optique dipolaire oblat confinant les atomes dans un plan bidimensionnel, des faisceaux Raman (R1, R2 et RP) utilisés pour le refroidissement et l'imagerie, et de l'objectif du microscope. (d) Vue de dessus de la configuration expérimentale, montrant la géométrie du faisceau du réseau optique.

Leurs résultats donnent de la crédibilité à une conjecture audacieuse : à l'échelle macro, l'univers tout entier peut être considéré comme une grande vague énergétique de matière, et notre perception de la réalité n'est que l'interprétation consciente de ce flux quantique constant. Atomes, personnes, planètes, galaxies - tous pourraient être décrits comme des modèles probabilistes récurrents au sein d'un mouvement cosmique sans fin. Selon cette perspective, rien ne reste vraiment immobile, ce qui explique pourquoi les physiciens n'ont jamais trouvé le repos absolu dans leurs recherches sur la nature.

En ouvrant une fenêtre sur les fonctions d'onde quantiques insaisissables, ces travaux nous rapprochent de la visualisation complète du monde quantique. En capturant certaines des images les plus claires à ce jour de particules obéissant à leur double nature onde-particule, les chercheurs français ont porté la microscopie quantique atomique à un nouveau niveau. Leurs résultats confirment de manière éclatante les règles étranges de la mécanique quantique et ouvrent des voies passionnantes pour des découvertes directes aux échelles les plus profondes de la nature.

Référence(s)

1. 1.  https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.05699

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