Première image de la structure orbitale de l'hydrogène prise en laboratoire

L'image ci-dessus est une belle rupture avec un paradigme scientifique. C'est un enregistrement dérivé de l'observation directe d'un atome d'hydrogène. Pour mener à bien cet exploit, les chercheurs participant au projet ont utilisé un nouvel appareil, le microscope quantique, qui permet, comme son nom l’indique, de donner un aperçu éphémère du règne quantique flou.

Pour commencer à traduire un peu le "scientifique" de la nouveauté, "structure orbitale" signifie l'espace occupé par le noyau de l'atome et ses électrons - ou "électron", en considérant spécifiquement l'hydrogène. Ce qui a rendu l’exploit scientifique de l’image qui ouvre ce texte est également une réponse au jargon scientifique: c’est la «fonction d’onde».

C'est une fonction mathématique utilisée pour essayer de donner un sens au merveilleux chaos quantique. Les valeurs ainsi obtenues traitent du comportement des particules subatomiques dans le temps et dans l'espace. En général, les scientifiques utilisent, par exemple, l’équation de Schrödinger, pour décrire des états subatomiques, donnant d’innombrables résultats complexes et des graphiques troubles.

Le premier enregistrement direct

La grande réussite de l'image qui ouvre ce texte réside toutefois dans la capacité d'observer réellement la fonction d'onde - au-delà de nombreux nombres et théories, du moins. Déterminer la position exacte d’un électron revient à essayer d’attraper un nuage de moustiques d’une seule main - une sorte d’incohérence quantique, en fait - il est possible de saisir tout un état quantique sur la base d’inférences statistiques.

Source de l'image: Reproduction / Physique

Cependant, cela nécessite un outil capable de faire diverses mesures de la configuration des vagues au fil du temps. Cependant, le défi subsistait: comment augmenter le nombre d'images enregistrées en fonction des états quantiques des particules subatomiques? Eh bien, selon les scientifiques, le microscope quantique entre en scène.

Électrons projetés

L'invention utilise la photoionisation microscopique pour visualiser directement les structures atomiques. Aneta Stodolna, de l'Institut de physique atomique et moléculaire de la FOM, décrit comment elle et son équipe ont réussi à saisir la structure nodale d'un atome d'hydrogène, placé dans un champ électrique statique.

Le processus impliquait le lancement d’impulsions laser sur les atomes, ce qui provoquait l’échappement des électrons puis ionisés et leur utilisation de trajectoires particulières vers un détecteur bidimensionnel. Bien sûr, les électrons peuvent emprunter d'innombrables chemins avant d'atteindre le même point de détecteur. Selon Stodolna, cela produisait des motifs d'interférence qui reflétaient la structure nodale des fonctions d'onde.

Enfin, pour compléter l’enregistrement, les chercheurs ont utilisé une lentille électrostatique capable d’augmenter les projections des électrons de 20 000 fois. À l’avenir, les chercheurs comptent utiliser la même technologie pour vérifier les réactions des atomes dans des champs magnétiques.