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Des scientifiques résolvent le problème de la diffraction atomique grâce au graphène

Un défi centenaire

Graphene
— Production Perig / Shutterstock.com

La diffraction atomique, un phénomène qui semblait jusqu’à présent insurmontable, a été observée pour la première fois à travers un cristal. Cette découverte a été rendue possible par une expérience innovante utilisant le graphène, un matériau à la structure atomique exceptionnelle. Un défi vieux de plusieurs décennies a ainsi été relevé et de nouvelles voies s’ouvrent pour l’étude des propriétés ondulatoires de la matière.

Un problème centenaire

Depuis des siècles, la question de savoir si la lumière est constituée de particules ou d’ondes a alimenté de nombreux débats. Au début du XXe siècle, les scientifiques ont découvert que la lumière présentait à la fois des caractéristiques de particules et d’ondes sans masse. Cette découverte a été suivie d’une idée révolutionnaire de Louis de Broglie, qui a suggéré que toute matière possédait aussi des propriétés ondulatoires. 

Cette hypothèse a été vérifiée par George Paget Thomson et son étudiant Alexander Reid, ainsi que par l’expérience de Davisson et Germer, qui ont démontré que les électrons pouvaient être diffractés à travers un cristal de la même manière que la lumière passe à travers une fente. Cela a non seulement transformé la physique fondamentale, mais a aussi permis des avancées technologiques majeures, comme le microscope électronique.

Cependant, l’observation de la diffraction des atomes, plus massifs que les électrons, s’est avérée bien plus complexe. La dualité onde-particule, qui s’appliquait aux électrons, a également été observée avec des atomes et même des molécules, ce qui compliquait la situation. En effet, les électrons, étant beaucoup plus légers que les atomes, se diffractaient plus facilement. 

Une percée grâce au graphène

Jusqu’à récemment, la diffraction des atomes n’avait été observée que par réflexion, où les atomes rebondissent sur une surface gravée. La diffraction à travers un cristal atomique était un défi, car les atomes sont bien plus lourds et moins susceptibles de se diffracter que les électrons. 

Dans une étude récemment publiée sur arXiv (en attente d’une révision par les pairs), Carina Kanitz et son équipe de l’Institut des technologies quantiques et de l’université de Vienne ont réussi à démontrer la diffraction d’atomes d’hydrogène et d’hélium en utilisant une feuille de graphène d’une épaisseur d’un atome. 

Dans leur expérience, les chercheurs ont projeté les atomes à haute énergie perpendiculairement à une feuille de graphène. Bien que l’énergie élevée des atomes puisse théoriquement endommager la structure du cristal, l’expérience a montré qu’il n’y avait aucun dommage au cristal, ce qui a permis la diffraction des atomes sans perturbation de la structure atomique du graphène.

Une nouvelle approche quantique

La clé de ce succès réside dans la manière dont les atomes interagissent avec le graphène. Grâce à la mécanique quantique, les atomes à haute énergie peuvent se diffracter à travers ce matériau extrêmement fin sans transférer une quantité de mouvement suffisante pour détruire le réseau cristallin. Cette interaction rapide et brève entre les atomes et le graphène a permis aux chercheurs d’observer des figures de diffraction cohérentes, révélant jusqu’à huit vecteurs de réseau réciproques.

Le temps d’interaction court entre les atomes et le graphène, très fin, permet cette diffraction sans transfert excessif de quantité de mouvement vers le réseau. Par ailleurs, un nouveau procédé ouvre la voie à la production à grande échelle du graphène, ce matériau miracle.

Par Eric Rafidiarimanana, le

Source: IFL Science

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