Des physiciens ont créé un nouvel état exotique de la matière

En créant des atomes dans des atomes, une nouvelle recherche marque le début d'une nouvelle ère de la physique quantique.

Essentiels aux propriétés de la matière, les atomes sont largement connus comme les blocs de construction de l'univers. Si vous avez toujours en tête vos cours de sciences du lycée, vous vous souvenez peut-être que les atomes sont constitués de protons chargés positivement, de neutrons neutres et d'électrons chargés négativement. Mais il y a beaucoup d'espace laissé libre entre ces particules subatomiques.

Les électrons évoluent généralement en orbite autour de leur noyau atomique. Puisque ces blocs de construction peuvent être emplis de tant de vide, une équipe de scientifiques de l'Université de Technologie de Vienne et de l'Université d'Harvard a voulu savoir s'il était possible de combler ce vide avec d'autres atomes.

 

LES ATOMES DE RYDBERG

En physique quantique, les scientifiques peuvent créer des atomes de Rydberg, l'état excité d'un atome, possédant un ou plusieurs électrons en orbite loin du noyau et dont le nombre quantique principal n (numéro de la couche) est très élevé. 

« La distance moyenne entre l'électron et son noyau peut être aussi grande que plusieurs centaines de nanomètres, soit plus de 1000 fois le rayon d'un atome d'hydrogène, » a indiqué par voie de presse Jochim Burgdörferdirecteur de l'Institut de physique théorique de l'Université de technologie de Vienne.

Dans cette nouvelle étude publiée dans Physical Review Letters, les chercheurs expliquent avoir créé un condensat de Bose-Einstein à partir d'atomes de strontium, refroidissant un gaz dilué de bosons, un type de particules subatomiques, pour se rapprocher autant que possible du zéro absolu. Ensuite, avec un laser, ils ont transféré de l'énergie à l'un de ces atomes, le transformant en un atome de Rydberg avec un grand rayon atomique. Ce rayon était plus grand que la distance normale entre deux atomes dans le condensat.

Les atomes neutres n'ont guère d'impact sur le chemin des électrons de cet atome de Rydberg en raison de leur manque de charge. Mais l'électron capte toujours les atomes neutres dispersés le long de son chemin, ce qui l'empêche de se transformer en un autre état de matière.

Les simulations informatiques montrent que cette interaction est faible, ce qui crée une liaison entre les atomes de Rydberg et les autres atomes.

« C'est une situation très inhabituelle, » explique Shuhei Yoshida, professeur de TU Wien qui a également pris part à la recherche. « Normalement, nous avons affaire à des noyaux chargés, à des électrons qui se lient autour d'eux. Ici nous avons un électron et des atomes neutres qui se lient. »

Ce nouvel état de matière exotique, appelé polarons de Rydberg, ne peut se produire qu'à basse température. Si les températures se réchauffent, les particules se déplacent plus rapidement et le lien se brise.

« Pour nous, ce nouvel état de matière faiblement lié représente une nouvelle manière passionnante d'étudier la physique des atomes ultrafroids, » poursuit M. Burgdörfer. « De cette façon, on peut sonder les propriétés d'un condensat de Bose-Einstein sur de très petites échelles avec une très grande précision. »

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