Sur cette photographie, vous voyez la première image directe des orbites des électrons autour d’un atome — en fait, la fonction d’onde d’un atome ! Pour obtenir une image de la structure orbitale de l’atome d’hydrogène, les chercheurs ont utilisé un microscope quantique de pointe, un appareil incroyable qui permet aux scientifiques de pénétrer dans le domaine de la physique quantique.
La structure orbitale de l’espace dans un atome est occupée par un électron. Mais pour décrire ces propriétés microscopiques de la matière, les scientifiques s’appuient sur les fonctions d’onde — des moyens mathématiques de décrire les états quantiques des particules, c’est-à-dire la manière dont elles se comportent dans l’espace et le temps.
En règle générale, la physique quantique utilise des formules telles que l’équation de Schrödinger pour décrire les états des particules.
Obstacles rencontrés par les chercheurs
Jusqu’à présent, les scientifiques n’avaient jamais observé de fonction d’onde. Essayer de saisir la position exacte ou l’élan d’un électron solitaire revenait à essayer d’attraper un essaim de mouches. Les observations directes étaient faussées par un phénomène très désagréable : la cohérence quantique.
Pour mesurer tous les états quantiques, il faut un instrument capable d’effectuer de nombreuses mesures des états d’une particule au fil du temps.
Mais comment grossir l’état déjà microscopique d’une particule quantique ? Un groupe de chercheurs internationaux a trouvé la réponse. En utilisant un microscope quantique, un appareil qui utilise la photoionisation pour observer directement les structures atomiques.
Dans son article publié dans la revue Physical Review Letters, Aneta Stodolna, qui travaille à l’Institut de physique moléculaire (AMOLF) aux Pays-Bas, décrit comment elle et son équipe ont obtenu les structures des orbitales électroniques nodales de l’atome d’hydrogène placé dans un champ électrique statique.
La trajectoire des électrons
Méthode de travail
Après irradiation par des impulsions laser, les électrons ionisés quittent leur orbite et tombent, le long de la trajectoire mesurée, dans un détecteur 2D (double plaque à microcanaux [MCP]. Le détecteur est situé perpendiculairement au champ lui-même). Les électrons peuvent suivre de nombreuses trajectoires avant d’entrer en collision avec le détecteur. Les chercheurs disposent ainsi d’un ensemble de figures d’interférence, qui reflètent la structure nodale de la fonction d’onde. Les chercheurs ont utilisé une lentille électrostatique qui grossit l’onde sortante des électrons de plus de 20 000 fois.
Exemples des quatre états de l’atome d’hydrogène. La colonne du milieu montre des mesures expérimentales, tandis que la colonne de droite montre un calcul des équations de Schrödinger en fonction du temps — et elles concordent
À l’avenir, les scientifiques prévoient d’utiliser la même technologie pour étudier le comportement des atomes dans un champ magnétique.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023