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Posté par Redbran le Jeudi 19/04/2018 à 12:00
Libérer l'électron pour mieux le piéger
Des chercheurs de l'UNIGE et du MBI de Berlin ont pour la première fois placé un électron dans un double état ? ni libéré ni lié?, confirmant une hypothèse des années 70.


Représentation schématique du potentiel de Kramers Henneberger formé par la juxtaposition du potentiel atomique et d'un puissant faisceau laser. © UNIGE - Xavier Ravinet

Les atomes sont formés d'électrons autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit...) d'un noyau central auquel ils sont liés. Les électrons peuvent aussi être arrachés ?ionisés? de leur noyau à l'aide du champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à distance par des particules chargées électriquement.) puissant d'un laser. Dans les années 70, deux théoriciens, Kramers et Henneberger, se sont demandés s'il était possible de libérer l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) de son noyau tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en le gardant captif du rayon laser. Cette hypothèse, jugée impossible par bon nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de scientifiques, vient d'être confirmée avec succès par des physiciens de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Genève (UNIGE) et du Max Born Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) (MBI) de Berlin. Pour la première fois, ils ont réussi non seulement à contrôler la forme de l'impulsion laser afin d'y maintenir l'électron libéré de son noyau, mais aussi à réguler à leur guise la structure électronique de cet atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement...) habillé par le laser. Ils ont également identifié une zone de non droit, surnommée "Vallée (Une vallée est une dépression géographique généralement de forme allongée et façonnée dans le relief par un cours d'eau (vallée fluviale) ou un glacier...) de la mort (La mort est l'état définitif d'un organisme biologique qui cesse de vivre (même si on a pu parler de la mort dans un sens cosmique plus général, incluant par exemple la...)", dans laquelle les physiciens perdent tout pouvoir sur l'électron. Ces résultats, à lire dans la revue Nature Physics, bouleversent les théories et prédictions touchant à l'ionisation (L'ionisation est l'action qui consiste à enlever ou ajouter des charges à un atome ou une molécule. L'atome - ou la molécule - en perdant ou en gagnant des charges n'est plus...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état...).

Depuis les années 70, plusieurs expériences tentent de confirmer l'hypothèse avancée par les théoriciens Kramers et Henneberger: on peut placer un électron dans un double état, ni libéré ni lié. Piégé dans le laser, l'électron serait forcé de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) et repasser devant son noyau et subirait ainsi le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique du laser combiné à celui du noyau. Ce double état permettrait de contrôler les électrons soumis à la fois au champ électrique du noyau et du laser et ouvrirait la voie à la création de "nouveaux atomes", du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de leur structure électronique, par les physiciens. Mais est-ce possible ?

Agir sur les oscillations naturelles de l'électron

Les théories actuelles déclarent que plus le laser est intense, plus il est facile de ioniser l'atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre....), c'est-à-dire d'arracher les électrons au champ électrique de leur noyau et de les libérer dans l'espace. "Mais une fois l'atome ionisé, les électrons quittent non seulement le champ électrique du noyau de l'atome, mais aussi celui du laser", explique Jean-Pierre Wolf, professeur à la Section de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) de la Faculté des sciences de l'UNIGE. "Nous avons alors voulu savoir s'il était possible de les piéger dans le laser, une fois libérés de leur noyau, comme le suggère l'hypothèse de Kramers et Henneberger", ajoute-t-il.

Le seul moyen d'y parvenir est de trouver la bonne forme de l'impulsion du laser à appliquer, afin d'imposer à l'électron des oscillations parfaitement semblables pour que son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et son état restent stables. "En effet, l'électron oscille naturellement dans le champ du laser, mais ces oscillations ne sont pas régulières et poussent l'électron à changer sans cesse son niveau d'énergie et donc son état, c'est pourquoi il s'échappe du champ électrique du laser", complète Mikhail Ivanov, professeur au Département théorique du MBI de Berlin.

Moduler l'intensité du laser pour éviter la Vallée de la mort

Les physiciens ont testé plusieurs intensités de laser pour d'obtenir la régularité des oscillations de l'électron libéré de son noyau. Ils ont alors fait une découverte surprenante. "Contrairement aux théories actuelles qui suggèrent que plus le laser est intense, plus il est facile de ioniser l'électron, nous avons découvert qu'il y a une limite d'intensité où nous ne pouvons plus ioniser l'atome, constate Mikhail Ivanov. Passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur...) ce seuil, nous retrouvons la possibilité de le juguler." Les chercheurs ont ainsi nommé cette limite la "Vallée de la mort", proposition faite par le professeur Joe Eberly de l'Université de Rochester.

Après plusieurs réglages, les physiciens de l'UNIGE et du MBI ont réussi pour la première fois à libérer l'électron de son noyau, puis à le piéger dans le champ électrique du laser, comme le suggéraient Kramers et Henneberger. "En appliquant une intensité de cent mille milliards de Watt (Le watt (symbole W) est une unité dérivée du système international pour la puissance. Un watt est la puissance d'un système énergétique dans lequel une énergie de 1 joule est...) par cm2, nous avons pu franchir le seuil de la Vallée de la mort et piéger l'atome dans un cycle d'oscillations régulières au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du...) du champ électrique du laser", s'enthousiasme Jean-Pierre Wolf. A titre de comparaison, l'intensité du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la...) sur la terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la...) est de l'ordre de 100 Watt par m2.

Confirmer une vieille hypothèse qui révolutionne la théorie physique

En plaçant l'électron dans un double état, ni lié ni libéré, les chercheurs ont trouvé le moyen de manipuler ses oscillations comme ils le souhaitent, ce qui leur permet d'agir directement sur la structure électrique de l'atome. "Ceci nous offre la possibilité de créer de nouveaux atomes habillés par le champ du laser, avec de nouveaux niveaux d'énergie des électrons", explique Jean-Pierre Wolf. "On pensait que ce double état était impossible à réaliser et nous venons de prouver le contraire. Ceci va jouer un rôle fondamental dans les théories et les prédictions sur la propagation des lasers intenses", conclut-il.

Contact chercheur:
Jean-Pierre Wolf - Professeur ordinaire de la Section de physique - Faculté des sciences

Référence publication:
Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-018-0105-0

Source: Université de Genève (UNIGE)
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