Rendu d’artiste d’un faisceau vortex.
Les chercheurs du Weizmann Institute of Science génèrent, pour la première fois, un faisceau vortex d’atomes et de molécules.
Les tourbillons peuvent évoquer une image mentale de tourbillons et de tornades – des masses d’eau et d’air en rotation – mais ils peuvent également exister à des échelles beaucoup plus petites. Dans une nouvelle étude publiée dans Science, des chercheurs du Weizmann Institute of Science, en collaboration avec des collaborateurs du Technion – Israel Institute of Technology et de l’Université de Tel Aviv, ont créé, pour la première fois, des vortex constitués d’un seul atome. Ces tourbillons pourraient aider à répondre à des questions fondamentales sur le fonctionnement interne du monde subatomique et être utilisés pour améliorer une variété de technologies – par exemple, en fournissant de nouvelles capacités pour les microscopes atomiques.
Les scientifiques s’efforcent depuis longtemps de produire divers types de vortex à l’échelle nanométrique en laboratoire, en se concentrant récemment sur la création de faisceaux de vortex – des flux de particules ayant des propriétés de rotation – où même leur structure quantique interne peut être amenée à tourner. Des vortex composés de particules élémentaires, d’électrons et de photons, ont été créés expérimentalement dans le passé, mais jusqu’à présent, les faisceaux vortex d’atomes n’existaient qu’en tant qu’expérience de pensée. “Au cours d’un débat théorique avec le professeur Ido Kaminer du Technion, nous avons eu l’idée d’une expérience qui générerait des tourbillons d’atomes uniques”, explique le Dr Yair Segev, qui a récemment terminé ses études de doctorat dans le groupe du professeur Edvardas Narevicius du département de physique chimique et biologique de Weizmann.
(gd) Alon Luski, le professeur Edvardas Narevicius et le Dr Yair Segev. Crédit : Institut des sciences Weizmann
En physique classique, les objets en rotation sont souvent caractérisés par une propriété connue sous le nom de moment angulaire. Semblable à la quantité de mouvement linéaire, il décrit l’effort nécessaire pour arrêter un objet en mouvement dans son élan, ou plutôt, pour l’empêcher de tourner. Les tourbillons – caractérisés par la circulation d’un flux autour d’un axe – incarnent parfaitement cette propriété dans leur rotation implacable.
Cependant, la propriété très basique du moment angulaire, qui caractérise les tourbillons naturels à la fois grands et petits, prend une tournure différente à l’échelle quantique. Contrairement à leurs équivalents en physique classique, les particules quantiques ne peuvent prendre aucune valeur de moment angulaire ; au contraire, ils ne peuvent prendre des valeurs que dans des portions discrètes, ou “quanta”. Une autre différence est la manière dont une particule de vortex transporte son moment angulaire – non pas comme une hélice rigide et rotative, mais comme une onde qui s’écoule et se tord autour de son propre axe de mouvement.
(À gauche) Un exemple de conception de nano-réseau avec des zones de transmission (noire) et de blocage (blanche) qui ont été utilisées pour façonner le faisceau d’hélium supersonique en tourbillons d’atomes d’hélium. (À droite) Image construite de tous les événements de collision capturés par la caméra à la fin de la configuration expérimentale de quatre mètres et demi de long. Les formes de « beignet » sont la preuve que les atomes ont été façonnés pour tourner comme un vortex après avoir traversé le réseau. Crédit : Institut des sciences Weizmann
Ces vagues peuvent être façonnées et manipulées de la même manière que les brise-lames sont utilisés pour diriger le flux d’eau de mer près du rivage, mais à une échelle beaucoup plus petite. “En plaçant des obstacles physiques sur la trajectoire d’un atome, nous pouvons manipuler la forme de son onde sous diverses formes”, explique Alon Luski, doctorant dans le groupe de Narevicius. Luski et Segev, qui ont dirigé la recherche avec Rea David de leur groupe, ont collaboré avec des collègues de l’Université de Tel Aviv pour développer une approche innovante pour diriger le mouvement des atomes. Ils ont créé des motifs de « brise-lames » nanométriques appelés caillebotis – de minuscules disques en céramique, de plusieurs centaines de nanomètres de diamètre, avec des motifs de fentes spécifiques. Lorsque les fentes sont disposées en forme de fourche, chaque atome qui les traverse se comporte comme une onde qui traverse un obstacle physique, acquérant ainsi un moment angulaire et émergeant comme un vortex en rotation. Ces « nano-fourches » ont été produites grâce à un processus de nano-fabrication développé spécifiquement pour cette expérience par le Dr Ora Bitton et Hila Nadler, toutes deux du département de soutien à la recherche chimique de Weizmann.
Pour générer et observer des tourbillons atomiques, les chercheurs dirigent un faisceau supersonique d’atomes d’hélium sur ces réseaux fourchus. Avant d’atteindre les grilles, le faisceau traverse un système de fentes étroites qui bloque une partie des atomes, ne transmettant que les atomes qui se comportent plutôt comme de grandes ondes – celles qui sont mieux adaptées pour être façonnées par les grilles. Lorsque ces atomes «onduleux» interagissent avec les «fourches», ils sont façonnés en tourbillons, et leur intensité est enregistrée et photographiée par un détecteur.
Tout comme “l’œil” de la tempête, le centre de ces “beignets” représente l’espace où chaque vortex atomique est le plus calme – l’intensité des vagues y est nulle, donc aucun atome n’y est trouvé.
Il en résulte une image en forme de beignet construite à partir de millions d’atomes d’hélium tourbillonnés qui entrent en collision avec le détecteur. « Quand nous avons vu l’image en forme de beignet, nous savions que nous avions réussi à créer des tourbillons de ces atomes d’hélium », explique Segev. Tout comme “l’œil” de la tempête, le centre de ces “beignets” représente l’espace où chaque vortex atomique est le plus calme – l’intensité des vagues y est nulle, donc aucun atome n’y est trouvé. « Les « beignets » sont l’empreinte d’une série de différents faisceaux vortex », explique Narevicius.
Au cours des expériences, les chercheurs ont fait une observation étrange. “Nous avons vu qu’à côté des beignets parfaitement formés, il y avait également deux petites taches de” bruit “”, explique Segev. “Au début, nous pensions qu’il s’agissait d’un dysfonctionnement du matériel, mais après une enquête approfondie, nous avons réalisé que ce que nous examinons sont en fait des molécules inhabituelles, chacune constituée de deux atomes d’hélium, qui ont été réunis dans nos faisceaux.” En d’autres termes, ils avaient généré des tourbillons non seulement d’atomes mais aussi de molécules.
Le dispositif expérimental de quatre mètres et demi de long commence par le faisceau supersonique d’atomes d’hélium dirigé vers les réseaux fourchus nanométriques, qui génèrent des faisceaux de vortex atomiques qui sont ensuite capturés par le détecteur et photographiés. Crédit : Institut des sciences Weizmann
Bien que les chercheurs aient utilisé de l’hélium dans leurs expériences, la configuration expérimentale peut accueillir des études d’autres éléments et molécules. Il pourrait également être utilisé pour étudier des propriétés subatomiques cachées, telles que la distribution de charge de protons ou de neutrons qui ne peuvent être révélées que lorsqu’un atome est en rotation. Luski donne l’exemple d’une horloge mécanique : « Les horloges mécaniques sont constituées de minuscules engrenages et rouages, chacun se déplaçant à une certaine fréquence, de la même manière que la structure interne d’un atome. Imaginez maintenant prendre cette horloge et la faire tourner – ce mouvement pourrait changer la fréquence interne des engrenages, et la structure interne pourrait également être exprimée dans les propriétés du vortex.
Chacun des atomes d’hélium de l’expérience a été façonné en une onde de vortex de 1 micron de diamètre – 10 000 fois plus grande que sa taille d’origine.
En plus d’offrir une nouvelle façon d’étudier les propriétés très basiques de la matière, les faisceaux de vortex atomiques pourraient trouver une utilisation dans plusieurs applications technologiques, telles que la microscopie atomique. L’interaction entre les atomes en rotation et tout matériau étudié pourrait conduire à la découverte de nouvelles propriétés de ce matériau, ajoutant des données importantes et auparavant inaccessibles à de nombreuses expériences futures.
Référence : « Vortex beams of atomes and molécules » par Alon Luski, Yair Segev, Rea David, Ora Bitton, Hila Nadler, A. Ronny Barnea, Alexey Gorlach, Ori Cheshnovsky, Ido Kaminer et Edvardas Narevicius, 1er septembre 2021, Science.
DOI : 10.1126/science.abj2451
