Il y a huit ans, un
scientifique réussissait ce qu’aucun autre n’avait fait avant lui :
photographier un unique atome. Cette image époustouflante avait
ensuite remporté le grand prix de la Photographie Scientifique
organisé par l’Engineering and Physical Sciences Research Council
(Royaume-Uni). En quoi cette percée a-t-elle eu des répercussions
sur la Science ?
Que sont les atomes ?
Les atomes se constituent d’un noyau,
composé de protons et de neutrons, et d’électrons qui tournent
autour du noyau. Pour rappel, les protons ont une charge positive,
les électrons ont une charge négative et les neutrons n’ont pas de
charge.
Ces atomes sont classés selon leur
nombre de protons qui détermine leur élément chimique. On dénombre
plus de cent éléments chimiques différents, allant de l’hydrogène,
le plus simple, à l’oganesson, le plus complexe. Ces éléments
peuvent alors se combiner pour former des molécules. En d’autres
termes, les atomes sont les unités de base de la
matière. Ils constituent l’ensemble de ce que nous pouvons
voir, de l’air que nous respirons jusqu’aux plus grandes galaxies de l’univers. Leur
étude est donc essentielle.
Ces travaux sont néanmoins
particulièrement délicats, car les atomes sont incroyablement
petits, de l’ordre de quelques dixièmes de nanomètre de
diamètre (un nanomètre équivaut à un milliardième de
mètre). Pour les manipuler, les physiciens utilisent des champs
électromagnétiques. Pendant longtemps, cependant, les chercheurs
les analysaient « par paquets », d’où l’intérêt de cette
incroyable photo signée du physicien David Nadlinger, prise dans le
cadre de ses recherches en physique quantique à l’Université d’Oxford. Cette
photo nous montre en effet un unique atome de
strontium.
Une véritable prouesse technique
Pour réaliser ce cliché, l’atome a
d’abord été refroidi à une température très basse à l’aide d’un
laser, puis piégé par des champs magnétiques qui l’ont maintenu en
place. Une caméra à ions uniques a ensuite été utilisée pour
éclairer l’atome avec un faisceau d’ions, de manière à le rendre
visible. Sur la photo, il nous apparaît alors comme un petit point
bleu brillant, suspendu dans le vide entre deux électrodes.
Notez que la photo a été prise en noir
et blanc. Elle a ensuite été colorisée pour mieux mettre en
évidence l’atome de strontium. Par ailleurs, elle ne montre pas
directement le noyau de l’atome. En effet, les électrons, qui sont
en mouvement rapide autour de ce dernier, sont les seuls à pouvoir
interagir avec la lumière pour créer une image observable.
C’est donc le nuage d’électrons autour du noyau qui est
visible sur la photo, pas le noyau lui-même.
Un atome de strontium maintenu dans des champs électriques entre
deux électrodes espacées de moins de 2mm.
Crédits : David Nadlinger / Université d’Oxford
Crédits : David Nadlinger / Université d’Oxford
Pourquoi avoir choisi le strontium
?
Le physicien a jeté son dévolu sur le
strontium pour plusieurs raisons. Tout d’abord, c’est un élément
relativement courant dans la nature, ce qui en
fait un choix pratique pour les expériences de physique quantique.
Par ailleurs, le strontium est un élément qui se prête bien
aux expériences de refroidissement, ce qui est nécessaire
pour piéger un atome unique. Le refroidissement permet en effet de
ralentir les mouvements de l’atome et de le maintenir en place.
Enfin, le strontium est un élément
intéressant pour la recherche en physique quantique, car il a
plusieurs isotopes, c’est-à-dire des formes
différentes de l’élément qui ont des nombres différents de
neutrons. Cela permet aux physiciens de réaliser des expériences
comparatives pour étudier les propriétés quantiques de chaque
configuration.
Quelles répercussions sur la science
?
Après avoir été publiée, cette photo a
remporté le concours de photographie scientifique organisé par
l’EPSRC. Cette mise en avant était largement méritée. Et pour
cause, les physiciens ont longtemps cherché des moyens de manipuler
les atomes individuels afin de les étudier et de les utiliser pour
des applications telles que la computation
quantique (une forme de calcul basée sur les principes de
la mécanique quantique qui permettent d’effectuer des calculs
beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques actuels).
Cette photo était donc la preuve que de telles
manipulations sont désormais possibles.
La photo a également été saluée pour
son incroyable capacité à capturer la beauté de la science et à
« donner un visage » à la physique quantique. Depuis
lors, elle est devenue célèbre dans le monde entier et a suscité de
l’enthousiasme pour ce domaine d’étude particulièrement étrange et
compliqué. Depuis, d’importantes avancées ont été faites dans la
manipulation et le contrôle des atomes individuels grâce à des
expériences de plus en plus précises.
Conclusion
La photographie de cet unique atome de
strontium, réalisée par David Nadlinger, représente une avancée
remarquable dans le domaine de la physique quantique. Cette
prouesse technique a démontré la capacité des scientifiques à
manipuler et observer des atomes individuels, ouvrant ainsi de
nouvelles perspectives pour des recherches encore plus précises. En
permettant une meilleure compréhension des propriétés quantiques,
cette réalisation a des implications significatives pour le
développement de technologies innovantes, telles que la computation
quantique.
Cette image n’est pas seulement une
preuve de l’ingéniosité scientifique, mais elle incarne également
la beauté de la science et sa capacité à rendre tangible
l’invisible. La reconnaissance de cette photo par l’EPSRC a mis en
lumière l’importance de la recherche fondamentale et son potentiel
à transformer notre vision de la réalité. En captivant
l’imagination du public et des scientifiques du monde entier, cette
photo a renforcé l’intérêt et l’enthousiasme pour l’exploration des
mystères quantiques. À travers de telles percées, nous continuons à
repousser les frontières de notre compréhension, ouvrant la voie à
de futures innovations qui pourraient révolutionner notre
monde.
