Illustration de l’absorption d’un électron individuel capturé sur pellicule. Crédit : Javier Marmolejo
Des chercheurs de l’Université de Göteborg ont observé l’absorption d’un seul électron par une gouttelette en lévitation avec un grossissement tel qu’il est visible à l’œil nu et peut même être mesuré avec une règle millimétrique normale.
La matière dans l’univers est composée de particules élémentaires comme les électrons, les protons et les neutrons. Ils sont partout, mais ils sont si petits que l’œil humain ne peut pas les discerner. Au siècle dernier, les physiciens ont prouvé l’existence de ces particules à travers différentes expériences, mais dans la plupart des cas, l’observation des particules a été indirecte.
Les électrons sont l’une de ces particules fondamentales. En 1909, Robert Millikan a prouvé que la charge de l’électron est quantifiée. En d’autres termes, il existe un montant minimum et indivisible de charge. Il a démontré que la charge de l’électron est quantifiée en laissant tomber des centaines de gouttelettes chargées dans un champ électrique, puis en effectuant une analyse statistique de leur mouvement.
Une expérience avec une seule goutte en lévitation
« Nous avons maintenant créé une version moderne de cette expérience classique en faisant léviter une seule gouttelette dans l’air à l’aide d’un laser », explique Javier Marmolejo, Ph.D. au Département de physique de l’Université de Göteborg.
Dans cette expérience, la quantification de la charge électrique est directement visible pour la première fois sans équipement de pointe ni analyse statistique complexe.
« Nous avons piégé une goutte à l’aide d’un laser à l’intérieur d’un champ électrique puissant et ajouté des électrons individuels en l’exposant au rayonnement alpha. La goutte effectuait des sauts quantifiés à chaque fois qu’elle absorbait un ou quelques électrons. En agrandissant l’image de la goutte à l’aide d’une seule lentille, nous avons pu voir l’effet d’une seule absorption électronique et mesurer les sauts avec une règle. Le point lumineux s’est déplacé d’environ un millimètre pour chaque électron absorbé (voir la vidéo ci-dessus).
La goutte avait un diamètre de 29 micromètres, ce qui correspond à peu près à l’épaisseur d’un cheveu humain fin. Malgré cela, il contient environ 3,7 x 1015 électrons chargés négativement.
“L’exploit est incroyable quand on considère que l’effet de l’ajout d’un seul électron à une gouttelette qui a déjà 3 700 000 000 000 000 est visible à l’œil nu.”
Maintenant qu’il est possible de « voir l’effet d’un seul électron », une nouvelle opportunité se présente pour mieux communiquer la science concernant les particules élémentaires au grand public, commentent les chercheurs.
Faits sur l’expérience
Un piège laser a été utilisé pour faire léviter une gouttelette d’huile de silicone dans l’air. Le piège consistait en un laser vert d’une longueur d’onde de 532 nanomètres qui était dirigé vers le haut et focalisé par une lentille d’une distance focale de 100 mm. Le point focal a été placé entre deux électrodes placées au centre de la chambre expérimentale. Les électrodes étaient parallèles et séparées de 1 mm. Une gouttelette de 29 micromètres a été lâchée dans le faisceau laser, où elle a été piégée. Entre les plaques, une différence de potentiel de 666 V a été appliquée, ce qui a créé un fort champ électrique. Le rayonnement Alfa était dirigé vers la gouttelette presque non chargée, ionisant l’air qui l’entourait.
Lorsque la gouttelette gagnait ou perdait sa charge, la force appliquée par le champ électrique changeait, ce qui à son tour changeait sa position. Les effets ont été agrandis 73 fois par une lentille et projetés sur un mur. Avec ce grossissement, les mouvements micrométriques de la goutte étaient observables à l’œil nu. Une règle millimétrique commune a été placée sur le mur où les chercheurs ont pu observer directement le nombre d’électrons que la goutte a gagnés alors qu’elle sautait d’environ 1 mm par électron ajouté.
Référence : « Visualizing the electron’s quantization with a ruler » par Javier Tello Marmolejo, Mitzi Urquiza-González, Oscar Isaksson, Andreas Johansson, Ricardo Méndez-Fragoso et Dag Hanstorp, 25 mai 2021, Rapports scientifiques.
DOI : 10.1038 / s41598-021-89714-2
