Des scientifiques mesurent pour la première fois l’état de liaison de la lumière et de la matière

À l’aide d’un faisceau laser, des chercheurs autrichiens sont parvenus à polariser plusieurs atomes simultanément afin qu’ils soient attirés mutuellement. Créant un état de liaison unique nettement plus faible que le lien entre deux atomes dans une molécule typique.

Une « molécule » de lumière et de matière

Si cette connexion inhabituelle était depuis longtemps prédite, les scientifiques de l’université d’Innsbruck et de l’université technique de Vienne ont récemment pu la mesurer pour la première fois dans le cadre d’expériences en laboratoire. Selon eux, une telle percée pourrait notamment permettre de manipuler des atomes très froids et améliorer notre compréhension de la façon dont les molécules se forment dans l’espace.

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« Dans un atome électriquement neutre, un noyau atomique chargé positivement est entouré par un nuage d’électrons chargés négativement », explique Philipp Haslinger, auteur principal de la nouvelle étude, parue dans la revue Physical Review X. « Lorsque vous activez un champ électrique externe, cette distribution est sensiblement modifiée et l’atome polarisé, avec essentiellement un côté négatif et un côté positif. »

Créer un effet de polarisation avec la lumière laser est possible car cette dernière s’apparente à un champ électromagnétique changeant rapidement. Par conséquent, elle va polariser tous les atomes (lorsqu’ils sont placés les uns à côté des autres) de la même manière : positif à gauche et négatif à droite, ou vice versa. Dans les deux cas, deux atomes voisins présentent des charges opposées, créant une force d’attraction entre eux.

« Comme il s’agit d’une force très faible, un protocole expérimental minutieux a été nécessaire pour la mesurer », explique Mira Maiwöger, co-auteure de l’étude. « Des atomes très énergétiques, se déplaçant rapidement, étant susceptibles de la faire disparaître immédiatement, nous avons utilisé un nuage d’atomes ultrafroids [ou condensat de Bose-Einstein]. »

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Des nuages d’atomes en chute libre

L’approche a consisté à capturer des milliers d’atomes à l’aide d’un piège magnétique (une puce recouverte d’or) puis à les refroidir à des températures proches du zéro absolu (-273 °C) afin de réduire leurs niveaux d’énergie au minimum. Lorsque son champ magnétique a été désactivé, le nuage d’atomes est tombé en chute libre et a commencé à croître, mais ce phénomène s’est trouvé ralenti par la polarisation des atomes réalisée à l’aide d’un faisceau laser, permettant aux chercheurs de mesurer cette force d’attraction pour la première fois.

« Polariser des atomes individuels avec des faisceaux laser n’a rien de nouveau. L’élément crucial de notre expérience est que nous avons réussi pour la première fois à polariser plusieurs atomes ensemble de manière contrôlée, créant ainsi une force d’attraction mutuelle quantifiable », explique Matthias Sonnleitner, qui a supervisé l’expérience.

« Si cette force constitue évidemment un outil supplémentaire pour contrôler les atomes ultra-froids, de tels travaux ont également des implications dans le domaine de l’astrophysique », estime Haslinger. « Dans l’immensité de l’espace, de faibles forces peuvent jouer un rôle important. Ici, nous avons pu montrer pour la première fois que le rayonnement électromagnétique pouvait générer une force entre les atomes, ce qui pourrait contribuer à éclairer certains scénarios n’ayant pas encore pu être expliqués. »

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