Bain d’hélium : les physiciens découvrent un phénomène surprenant

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Helium Nanodroplet Ions
Nano-gouttelettes d'hélium

Les ions contenus dans une nano-gouttelette d’hélium restent protégés en cas d’impact. Crédit : Uni Innsbruck

En travaillant avec des nano-gouttelettes d’hélium, les scientifiques du département de physique ionique et de physique appliquée dirigés par Fabio Zappa et Paul Scheier ont découvert un phénomène surprenant : Lorsque les gouttelettes ultra-froides touchent une surface dure, elles se comportent comme des gouttes d’eau. Les ions avec lesquels elles ont été préalablement dopées restent ainsi protégés lors de l’impact et ne sont pas neutralisés.

Au département de physique ionique et de physique appliquée, le groupe de recherche de Paul Scheier utilise depuis une quinzaine d’années des nanogouttelettes d’hélium pour étudier les ions avec des méthodes de spectrométrie de masse. À l’aide d’une buse supersonique, il est possible de produire de minuscules nanogouttelettes d’hélium superfluides à des températures inférieures à un degré Kelvin. Elles peuvent être très efficacement dopées avec des atomes et des molécules. Dans le cas des gouttelettes ionisées, les particules d’intérêt sont attachées aux charges, qui sont ensuite mesurées dans le spectromètre de masse. Au cours de leurs expériences, les scientifiques sont maintenant tombés sur un phénomène intéressant qui a fondamentalement changé leur travail. “Pour nous, cela a changé la donne”, déclare Fabio Zappa, de l’équipe de nano-bio-physique. “Tout dans notre laboratoire est désormais réalisé avec cette méthode nouvellement découverte”. Les chercheurs ont maintenant publié les résultats de leurs études dans Physical Review Letters.

Un phénomène surprenant

Lorsque l’on tire des particules chargées sur une plaque métallique, celles-ci sont normalement neutralisées par les nombreux électrons libres présents à la surface du métal. Elles ne peuvent alors plus être mesurées dans le spectromètre de masse. Mais lorsque les ions sont emballés dans une nanogouttelette d’hélium, ils restent protégés lors de l’impact et s’envolent dans toutes les directions avec quelques atomes d’hélium faiblement liés. “Les ions sont apparemment protégés par l’hélium”, explique M. Zappa. Il ne comprend pas encore complètement le mécanisme sous-jacent. “Mais il existe des preuves que l’hélium perd sa propriété superfluide avant l’impact et se comporte alors comme un liquide, éclaboussant la surface et ne s’évaporant qu’ensuite partiellement.” Une autre raison possible serait que les premières gouttelettes s’évaporent à la surface, formant une couche de gaz qui ralentit les gouttelettes suivantes et, de cette façon, les protège de l’évaporation. Seules des recherches plus poussées permettront de déterminer si l’une de ces explications est correcte ou s’il existe d’autres raisons. Le fait que cette méthode fonctionne également avec les ions négatifs, qui sont normalement très fragiles, indique aux scientifiques un fort effet du phénomène jusqu’alors inconnu.

Les avantages de la nanotechnologie

Grâce à cette découverte, l’équipe de Paul Scheier a non seulement amélioré sa propre méthode de mesure, mais a également obtenu des informations importantes pour d’autres groupes de recherche qui, par exemple, s’occupent du dépôt de nanoparticules sur des surfaces. “Les nanoparticules métalliques en sont un excellent exemple”, raconte Paul Scheier. “Dans de nombreuses technologies modernes, on trouve des nanoparticules métalliques qui ont des propriétés très spécifiques.” Le fait que la génération de tels nanofilms puisse souvent être très inefficace pourrait également être lié au phénomène maintenant découvert à Innsbruck.

Référence : “Splashing of Large Helium Nanodroplets upon Surface Collisions” par Paul Martini, Simon Albertini, Felix Laimer, Miriam Meyer, Michael Gatchell, Olof Echt, Fabio Zappa et Paul Scheier, 23 octobre 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.263401

Ce travail a été soutenu financièrement, entre autres, par le Fonds scientifique autrichien FWF et la province du Tyrol dans le cadre d’un projet K-Regio.

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