Comprendre les interactions atomiques dans le détail est primordial pour affiner les modèles chimiques actuels concernant la construction et la structuration des molécules. Jusqu’à présent, pour étudier ces interactions, les chimistes devaient se contenter de groupes d’atomes dans lesquels ils calculaient et déterminaient des corrélations moyennes, donnant une vague idée du comportement individuel des atomes lors de la formation de molécules. Mais récemment, une équipe de chercheurs a mis au point une technique permettant de manipuler des atomes individuels afin de les observer formant des molécules.
Une façon d’analyser de tels échanges est de saisir des atomes isolés avec l’équivalent d’une minuscule paire de pinces, de les immobiliser et d’enregistrer les changements à mesure qu’ils se rencontrent. Heureusement, une telle paire de pincettes existe. Fabriquées à partir de lumière polarisée spécialement alignée, ces pinces laser peuvent servir de pièges optiques pour de minuscules objets.
Manipuler individuellement des atomes grâces aux pinces optiques
Concernant des ondes lumineuses suffisamment courtes, un expérimentateur a de bonnes chances de piéger quelque chose d’aussi petit qu’un atome individuel dans ces pinces. Bien sûr, les atomes doivent d’abord être refroidis pour les rendre plus faciles à attraper, puis séparés dans un espace vide.
« Notre méthode implique le piégeage et le refroidissement individuels de trois atomes à une température d’environ un millionième de Kelvin à l’aide de faisceaux laser hautement focalisés dans une chambre (sous vide) hyper-évacuée, de la taille d’un grille-pain. Nous combinons lentement les pièges contenant les atomes pour produire des interactions contrôlées que nous mesurons », explique le physicien Mikkel F. Andersen.
Les atomes dans ce cas étaient tous des atomes de rubidium, qui se lient pour former des molécules de dirubidium, mais deux atomes ne suffisent pas pour y parvenir. « Deux atomes seuls ne peuvent pas former une molécule, il en faut au moins trois pour faire de la chimie », explique le physicien Marvin Weyland.
Mieux comprendre la formation des molécules à l’échelle atomique
Modéliser comment cela se déroule est un véritable défi. Il est clair que deux atomes doivent se rapprocher suffisamment pour pouvoir former une liaison, tandis qu’un troisième arrache une partie de cette énergie de liaison pour les laisser connectés. La recombinaison à trois corps entre atomes devrait, en théorie, les forcer à sortir de leur piège, ce qui ajoute généralement encore un problème aux physiciens qui tentent d’étudier les interactions entre plusieurs atomes.
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À l’aide d’une caméra spéciale pour amplifier les changements, l’équipe a capturé le moment où les atomes de rubidium se sont rapprochés, révélant un taux de perte différent de celui prévu par les modèles. En effet, cela signifie également que les molécules ne se lient pas aussi rapidement que les modèles existants l’expliquent. Les résultats ont été publiés dans la revue Physical Review Letters.
« C’est la première fois que ce processus de base est étudié de manière isolée, et il s’avère qu’il a donné plusieurs résultats surprenants qui n’étaient pas attendus des mesures précédentes dans de grands nuages d’atomes. Avec plus de développement, cette technique pourrait fournir un moyen de construire et de contrôler des molécules uniques de produits chimiques particuliers », explique Weyland. D’autres expériences aideront à affiner ces modèles pour mieux expliquer comment les groupes d’atomes fonctionnent ensemble pour se rencontrer et se lier dans diverses conditions.