Une équipe de scientifiques dirigée par le professeur Martin Zwierlein du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms and Research Laboratory of Electronics a construit un microscope capable de voir jusqu’à 1 000 atomes fermioniques individuels à la fois.
Des atomes de potassium 40 sont refroidis pendant l’imagerie par lumière laser, permettant à des milliers de photons d’être collectés par le nouveau microscope. Crédit photo : Lawrence Cheuk / MIT.
Au cours des vingt dernières années, les physiciens ont étudié les gaz atomiques ultrafroids des deux classes de particules : les fermions (électrons, protons, neutrons, quarks, atomes) et les bosons.
En 2009, des physiciens de l’Université de Harvard ont conçu un microscope qui a permis d’imager des bosons individuels dans un réseau optique étroitement espacé.
Le deuxième microscope à bosons a été créé par des scientifiques de l’Institut Max Planck d’optique quantique en Allemagne en 2010.
Ces microscopes ont révélé, avec des détails sans précédent, le comportement des bosons dans le cadre d’interactions fortes. Cependant, personne n’avait encore développé un microscope comparable pour les fermions.
La nouvelle technique développée par le professeur Martin Zwierlein et ses collègues du MIT utilise deux faisceaux laser dirigés vers un nuage d’atomes fermioniques dans un réseau optique.
Les deux faisceaux, chacun d’une longueur d’onde différente, refroidissent le nuage, faisant descendre les fermions individuels d’un niveau d’énergie, les amenant finalement à leur état d’énergie le plus bas – suffisamment froid et stable pour rester en place.
En même temps, chaque fermion libère de la lumière, qui est capturée par le microscope et utilisée pour obtenir une image de la position exacte du fermion dans le réseau – avec une précision meilleure que la longueur d’onde de la lumière.
Grâce à cette nouvelle technique, l’équipe du professeur Zwierlein a pu refroidir et visualiser plus de 95% des atomes fermioniques composant un nuage de gaz de potassium.
“Un résultat intriguant de la technique semble être qu’elle peut maintenir les fermions froids même après l’imagerie. Cela signifie que je sais où ils se trouvent, et que je peux les déplacer avec une petite pince à épiler vers n’importe quel endroit, et les arranger dans n’importe quel modèle que je souhaite”, a déclaré le professeur Zwierlein, qui est l’auteur principal de l’étude publiée dans la revue “The Journal”. Physical Review Letters.
“L’imagerie à haute résolution de plus de 1 000 atomes fermioniques simultanément améliorerait notre compréhension du comportement des autres fermions dans la nature – en particulier le comportement des électrons”, a-t-il déclaré.
“Ces connaissances pourraient un jour faire progresser notre compréhension des supraconducteurs à haute température, qui permettent un transport d’énergie sans perte, ainsi que des systèmes quantiques tels que les systèmes à l’état solide ou la matière nucléaire.”
“Le microscope du groupe est capable de détecter des atomes individuels avec une fidélité presque parfaite. Ils les détectent de manière fiable, et le font sans affecter leurs positions – c’est tout ce que vous voulez”, a déclaré le professeur Zoran Hadzibabic du Trinity College, qui n’a pas participé à l’étude.
“Jusqu’à présent, ils ont démontré la technique, mais nous savons par expérience avec les bosons que c’est l’étape la plus difficile, et je m’attends à ce que les résultats scientifiques commencent à affluer.”
