Pour la première fois, des chercheurs génèrent un faisceau vortex composé d’atomes et de molécules


tourbillon

Crédit : CC0 Domaine Public

Les courants de Foucault peuvent évoquer une mentale de vortex et de tornades – des masses d’eau et d’air en rotation – mais ils peuvent également exister à des échelles beaucoup plus petites. Dans une nouvelle étude publiée dans science, des chercheurs de l’Institut des sciences Weizmann, ainsi que des employés de l’Institut de technologie Technion-Israël et de l’Université de Tel Aviv, ont créé pour la première fois des tourbillons à partir d’un seul atome. Ces tourbillons pourraient aider à répondre à des questions fondamentales sur le fonctionnement interne du monde subatomique et à améliorer diverses technologies, par exemple en offrant de nouvelles capacités aux microscopes atomiques.

Les scientifiques ont longtemps cherché à créer différents types de vortex à l’échelle nanométrique en laboratoire, en se concentrant récemment sur la création de rayons vortex – des courants de particules ayant des propriétés rotationnelles – qui peuvent même provoquer la rotation de leur structure quantique interne. Des vortex de particules élémentaires, d’électrons et de photons ont été créés expérimentalement dans le passé, mais jusqu’à présent, les rayons vortex d’atomes n’ont existé que sous forme d’expériences de pensée. « Au cours d’un débat théorique avec le professeur Ido Kaminer du Technion, nous avons eu l’idée d’une expérience qui créerait des tourbillons d’atomes individuels », explique le Dr. Yair Segev, qui vient de terminer son doctorat. A étudié dans le groupe du professeur Edvardas Narevicius du Département de physique chimique et biologique Weizmann.

En physique classique, les objets en rotation sont souvent caractérisés par une propriété connue sous le nom de moment angulaire. Semblable à l’impulsion linéaire, il décrit la force nécessaire pour arrêter un objet en mouvement sur sa trajectoire ou pour l’empêcher de tourner. Les tourbillons – caractérisés par la circulation du flux autour d’un axe – incarnent parfaitement cette propriété dans leur rotation implacable.

Pour la première fois, des chercheurs génèrent un faisceau vortex composé d'atomes et de molécules

(À gauche) Un exemple de conception de nanogrille avec des zones de (noire) et de blocage (blanche) qui ont été utilisées pour façonner le d’ supersonique en tourbillons d’atomes d’hélium. (À droite) Image construite de tous les événements de collision enregistrés par la caméra à la fin de la configuration de test de quatre mètres et demi de long. Les formes de « beignet » sont la preuve que les atomes ont été façonnés pour tourner comme des tourbillons après avoir traversé le réseau. Image : Institut des sciences Weizmann

La propriété fondamentale du moment angulaire, qui caractérise à la fois les grands et les petits tourbillons naturels, prend une tournure différente à l’échelle quantique. Contrairement à leurs équivalents en physique classique, les particules quantiques ne peuvent prendre aucune valeur de moment angulaire ; au contraire, ils ne peuvent prendre des valeurs que dans des proportions discrètes ou « quanta ». Une autre différence est la façon dont une particule de vortex transporte son moment angulaire – non pas comme une hélice rigide et rotative, mais comme un arbre qui s’écoule et tourne autour de son propre axe de mouvement.

Ces vagues peuvent être façonnées et manipulées de la même manière que les brise-lames sont utilisés pour diriger le flux d’eau de mer près de la côte, mais à une échelle beaucoup plus petite. « En plaçant des obstacles physiques sur le chemin d’un atome, nous pouvons manipuler la forme de son en différentes formes », explique Alon Luski, Ph.D. Étudiants du groupe de Narevicius. Luski et Segev, qui ont dirigé la recherche avec Rea David de leur groupe, ont travaillé avec des collègues de l’Université de Tel Aviv pour développer une approche innovante pour diriger le mouvement des atomes. Ils ont créé des motifs de « brise-lames » nanométriques appelés grilles – de minuscules disques en céramique de plusieurs centaines de nanomètres de diamètre avec des motifs de fentes spécifiques. Lorsque les fentes sont fourchues, chaque atome qui les traverse se comporte comme une onde traversant un obstacle physique, recevant ainsi un moment angulaire et sortant comme un vortex en rotation. Ces « nano-fourches » ont été fabriquées selon un procédé de nanofabrication spécialement développé pour cette expérience par le Dr. Ora Bitton et Hila Nadler, toutes deux du département de soutien à la recherche chimique de Weizmann.

Afin de générer et d’observer des tourbillons atomiques, les chercheurs dirigent un jet supersonique d’atomes d’hélium sur ces réseaux en forme de fourche. Avant que le faisceau n’atteigne les grilles, il traverse un système de fentes étroites qui bloquent certains atomes et ne laissent passer que les atomes qui agissent davantage comme de grandes ondes – celles que les grilles sont mieux à même de façonner. Lorsque ces atomes « ondulés » interagissent avec les « fourches », ils se transforment en tourbillons et leur intensité est enregistrée et photographiée par un détecteur.

Pour la première fois, des chercheurs génèrent un faisceau vortex composé d'atomes et de molécules

Le dispositif expérimental de quatre mètres et demi de long commence par le faisceau supersonique d’atomes d’hélium dirigé vers les grilles de fourche nanométriques qui génèrent des faisceaux de vortex atomiques qui sont ensuite capturés et photographiés par le détecteur. Image : Institut des sciences Weizmann

Il en résulte une image en forme de beignet composée de millions d’atomes d’hélium tourbillonnants qui entrent en collision avec le détecteur. « Quand nous avons vu l’image en forme de beignet, nous savions que nous avions réussi à créer des tourbillons à partir de ces atomes d’hélium », explique Segev. Semblable à « l’œil » de la tempête, le centre de ces « beignets » représente l’espace dans lequel chaque vortex atomique est le plus calme – l’intensité des vagues y est nulle, il n’y a donc aucun atome à y trouver. « Les » beignets « sont les empreintes digitales d’un certain nombre de rayons vortex différents », explique Narevicius.

Au cours des expériences, les chercheurs ont fait une étrange observation. « Nous avons vu qu’en plus des beignets parfaitement formés, il y avait aussi deux petits bruits », explique Segev. « Au début, nous pensions qu’il s’agissait d’un dysfonctionnement du matériel, mais après une enquête minutieuse, nous avons découvert qu’il s’agissait de molécules inhabituelles, chacune composée de deux atomes d’hélium et reliées entre elles dans nos faisceaux. » En d’autres termes, ils avaient créé des tourbillons non seulement à partir d’atomes mais aussi à partir de molécules.

Bien que les chercheurs aient utilisé de l’hélium dans leurs expériences, le dispositif expérimental peut permettre l’étude d’autres éléments et molécules. Il pourrait également être utilisé pour étudier des propriétés subatomiques cachées, telles que la répartition des charges sur les protons ou les neutrons, qui ne peuvent être découvertes que lorsqu’un atome tourne. Luski donne l’exemple d’une horloge mécanique : « Les horloges mécaniques sont constituées de minuscules rouages ​​et engrenages, dont chacun se déplace à une certaine fréquence, semblable à la structure interne d’un atome. Imaginez maintenant que vous prenez cette horloge et que vous la tournez – ce mouvement pourrait être la fréquence interne des engrenages, et la structure interne pourrait également être exprimée dans les propriétés du vortex. « 

En plus de fournir une nouvelle façon d’étudier les propriétés très fondamentales de la matière, les rayons de vortex atomiques pourraient trouver une utilisation dans plusieurs applications technologiques, telles que la microscopie atomique. L’interaction entre les atomes en rotation et tout matériau étudié pourrait conduire à la découverte de nouvelles propriétés de ce matériau et ajouter des données importantes, auparavant inaccessibles, à de nombreuses expériences futures.


Moment angulaire orbital de la lumière orienté tridimensionnellement


Plus d’information:
Alon Luski et al., Vortex Jets of Atoms and Molecules, science (2021). DOI : 10.1126 / science.abj2451

Fourni par l’Institut des sciences Weizmann

Citation: Des chercheurs créent un faisceau vortex d’atomes et de molécules pour la première fois (2021, 30 novembre), consulté le 30 novembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-11-vortex-atoms-molecules.html

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