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Cette observation directe, longtemps considérée comme impossible en raison de la nature insaisissable des atomes, ouvre une nouvelle fenêtre sur l'étude des phénomènes quantiques. Grâce à une technique innovante combinant lasers et refroidissement extrême, les chercheurs ont figé ces objets fugaces pour en révéler les interactions.
Une prouesse technique pour sonder l'infiniment petit
Les atomes, un millions de fois plus fins qu'un cheveu, obéissent aux lois contre-intuitives de la mécanique quantique. Leur position et leur vitesse ne peuvent être mesurées simultanément, ce qui rend leur observation directe particulièrement difficile.
La méthode développée par l'équipe du MIT utilise un piège laser pour confiner un nuage d'atomes à des températures proches du zéro absolu. Un réseau lumineux les fige ensuite brièvement, permettant à un second laser de révéler leurs positions individuelles par fluorescence.
Cette approche, baptisée "microscopie à résolution atomique", surpasse les techniques d'imagerie traditionnelles qui ne captaient que la forme globale des nuages atomiques. Elle offre une résolution inédite pour étudier les corrélations quantiques.
En haut: rendus montrant des atomes mobiles dans un piège (rouge) figés par un réseau optique et observés via un refroidissement Raman.
En bas: images microscopiques du 23Na formant un condensat de Bose-Einstein, d'un mélange faiblement interactif de 6Li dans un état de spin unique, puis d'un mélange fortement interactif de 6Li dans deux états de spin, montrant la formation de paires.
Bosons et fermions sous l'objectif
Les chercheurs ont appliqué leur technique à deux types d'objets: un nuage de bosons composé d'atomes de sodium et un nuage de fermions composé d'atomes de lithium, sous la forme d'un condensat de Bose-Einstein. Les premiers, capables de partager un même état quantique, ont confirmé leur tendance à s'agréger en formant une onde collective, comme le prédisait Louis de Broglie en 1924.
À l'inverse, les fermions ont exhibé leur nature répulsive, évitant tout contact avec leurs semblables. Cependant, des paires se sont formées entre fermions de types différents, un mécanisme clé pour comprendre la supraconductivité. Ces comportements opposés illustrent la dualité onde-particule au cœur de la physique quantique.
L'équipe envisage désormais d'étudier des phénomènes plus exotiques, comme l'effet Hall quantique, où les électrons adoptent des états corrélés sous l'effet de champs magnétiques intenses. Ces travaux pourraient éclairer des théories encore incomplètes.