Briques fondamentales de la matière qui nous entoure, les atomes sont partout autour de nous. Constitués d’un noyau chargé positivement et d’électrons chargés négativement, d’une taille d’environ 10-10 m, les atomes demeurent en règle générale invisibles à l’œil nu. Tout du moins jusqu’à maintenant. Car c’est bien la photographie d’un atome qui s’est imposée comme la grande gagnante du prix britannique de la photographie scientifique 2018, décerné par le Conseil de Recherche en Ingénierie et Sciences Physique britannique.

Au centre même de l’image située ci-dessous, se trouve quelque chose d’incroyable : un seul atome de strontium métallique chargé positivement, suspendu en mouvement par des champs électriques espacés de moins de 2 mm.

atome photographie

Crédits : David Nadlinger/University of Oxford

Cette image a été capturée par le physicien David Nadlinger de l’Université d’Oxford, et s’est vu décerner il y a quelques jours, le premier prix de la célèbre compétition de la Photographie Scientifique organisée par l’Engineering and Physical Science Research Council britannique. À travers sa photo intitulée « Atome isolé dans un piège à ion » (« Single Atom in an Ion Trap » en anglais), le physicien expert en physique quantique a réussi le tour de force de photographier un unique atome de strontium.

Pour ce faire, les scientifiques ont donc dû élaborer un piège à ion afin de retenir l’atome suffisamment longtemps pour le fixer sur pellicule. Le dispositif permet de maintenir l’atome de strontium chargé positivement, grâce à des champs électriques générés par deux aiguilles placées de chaque côté, ayant pour distance environ 2 millimètres seulement. Ce dernier n’a d’ailleurs pas été choisi au hasard. En effet, cet atome qui se compose de 38 protons possède un diamètre de 438 picomètres, une taille jugée satisfaisante par Nadlinger pour pouvoir être observé.

photo atome strontium piege ion

Agrandissement de la photographie prise par le physicien David Nadlinger. Entre les deux aiguilles (électrodes) distantes de seulement 2 mm et constituant le piège à ion, l’atome de strontium (surnommé le point bleu pâle par le chercheur) est maintenu en place grâce à un champ électrique. Un laser bleu-violet bombarde l’atome afin de provoquer l’émission de photons nécessaires à la prise de vue. Crédits : David Nadlinger/University of Oxford

Afin de rendre l’atome visible, les physiciens l’ont bombardé avec un laser bleu-violet dans le but d’exciter ses différents électrons. Ceux-ci ont ainsi émis un nombre suffisamment important de photons en continu pour que le physicien puisse capturer son image grâce à une exposition longue. En effet, l’exposition longue des capteurs photographiques fait non seulement apparaître l’atome ainsi grâce à la capture suffisante de lumière émise, mais le diamètre apparent résulte aussi par conséquent comme étant plus grand qu’il ne l’est réellement, ce qui l’expose davantage pour la réalisation du cliché.

L’ensemble de l’expérience s’est déroulée dans une chambre à ultra-vide et à température extrêmement basse pour ralentir l’atome au maximum. Nadlinger n’a donc pu prendre sa photo que depuis la fenêtre de la chambre à ultra-vide. Ce type de piège ionique à refroidissement par laser est déjà activement utilisé en physique des particules pour étudier les propriétés des systèmes quantiques.

Au sujet de son oeuvre, le physicien a confié que « l’idée d’être capable d’observer un atome isolé à l’œil nu m’a semblé être un magnifique pont direct et viscéral reliant le monde quantique microscopique à notre réalité macroscopique. Après avoir réalisé des calculs succincts, je me suis rendu compte que les chiffres étaient de mon côté, et lorsque je me suis installé dans le laboratoire avec mon appareil photo et mes trépieds un calme après-midi de dimanche, je fus récompensé par cette singulière photo d’un petit point bleu pâle ».

Non seulement ces types d’ions atomiques refroidis au laser permettent aux chercheurs d’étudier et d’analyser les propriétés du monde quantique, mais ils peuvent également être utilisés pour construire des horloges atomiques et peut-être, à l’avenir, des ordinateurs quantiques.

Source : Engineering and Physical Sciences Research Council

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