Diffraction de Bragg montrant la nature ondulatoire d'un colorant organique. (Brand et al., Phys Rev Lett, 2020) Près d'un siècle après que des expériences ont confirmé que les atomes, les plus petits éléments constitutifs de la matière, ont des caractéristiques éthérées et ondulatoires, les physiciens viennent de trouver une nouvelle façon de montrer comment des molécules de la taille d'un mammouth ondulent avec la même incertitude.
Des chercheurs de l'Université de Vienne et de l'Université de Duisburg-Essen, en Allemagne, ont donné une nouvelle tournure à une expérience classique pour créer des modèles de diffraction ondulatoires dans deux types de produits chimiques organiques.
C'est un gros problème non seulement parce que cela démontre une fois de plus l'étrange dualité des particules qui composent notre monde, mais cela pourrait aider à améliorer les méthodes pour les matériaux d'imagerie importants.
En termes simples, les chercheurs ont utilisé un laser pour créer des brouillards de molécules individuelles composées d'environ 40 à 60 atomes : dans un cas, ils ont utilisé l'antibiotique ciprofloxacine ; et dans un autre le colorant organique phtalocyanine.
Chaque brouillard passait à travers une série d'ouvertures étroites, puis un deuxième laser, avant d'éclabousser un écran.
Illuminé par une lumière UV, le brouillard qui traversait révélait le motif révélateur des vagues interférant avec elles-mêmes en plein vol.
Mais comment la matière physique peut-elle agir comme des ondes ? Lorsque nous pensons à des choses à l'échelle humaine telles que des chiens et des chats, des tartes aux pommes et des balles de tennis, il est difficile d'expliquer comment des particules ordinaires commencent soudainement à agir comme des « ondes » de son ou de lumière.
Et ce n'est pas seulement nous - proposer des comparaisons a également mis au défi les meilleurs esprits de la physique.
Aux débuts de l'atome, il était admis que la lumière était comme une ondulation à la surface de l'eau. C'était clair parce que lorsqu'un faisceau de lumière est bloqué, ses propriétés semblent se projeter autour du bord de l'obstacle. Ou, en termes plus simples, il peut sembler se déformer et « diffracter » dans les coins, comme des vagues qui se courbent autour des roseaux émergeant d'un étang.
Il est important de noter que les vagues peuvent également se construire ou se soustraire les unes des autres lorsqu'elles se chevauchent, interférant avec leur configuration de manière prévisible. La lumière, il se trouve, fait cela aussi.
On pensait que la matière – comme les charges négatives et positives constituant les éléments constitutifs fondamentaux de la nature – ressemblait davantage à de minuscules grains de sable sur la plage. Empilez-les ensemble, et ils forment juste un monticule.
Au début du 20e siècle, il devenait clair qu'il y avait plus dans toute l'histoire.
Einstein gagnerait ses galons de Nobel pour des expériences qui ont révélé non seulement la lumière se comporte comme une onde, mais elle fournit également de l'énergie en unités discrètes ressemblant à des grains.
Quelques décennies plus tard, un jeune prince français nommé Louis de Broglie s'est inspiré du livre d'Einstein en suggérant si le granulaire les électrons étaient aussi ondulatoires , cela pourrait expliquer leur étrange nature orbitale autour des atomes.
L'idée folle de de Broglie n'était pas seulement une gaufre non plus. En 1927, une expérience du physicien George Thomson a montré que les électrons peuvent se diffracter à travers des ouvertures étroites pour créer des motifs d'interférence comme n'importe quelle autre onde.
Depuis lors, les preuves à l'appui de cette étrange dualité de la lumière et de la matière se sont accumulées jusqu'au ciel. Nous ne parlons pas seulement d'arcs-en-ciel et d'électrons ici non plus; les fondements mêmes de la physique sont décrits à l'aide des mathématiques des ondes et des particules.
Ces électrons tremblants se combinent avec des protons vacillants et des neutrons tremblants, tous traversant la réalité sur des vagues de confusion, jamais tout à fait sûrs de leur destin ou de leur personnalité jusqu'à ce qu'ils soient forcés d'en faire un.
Au fur et à mesure que ces particules se connectent pour former des atomes, et que les atomes se rejoignent pour former des molécules, et que les molécules se combinent pour former des tartes aux pommes et des balles de tennis (et même des humains comme vous et moi), ces ondes fusionnent en des formes plus obscures et moins facilement repérables.
Mais ils sont toujours là, si vous savez regarder. Tout comme le montre cette expérience.
En ce qui concerne la taille, cette étude particulière n'est pas un record. Des chercheurs ont révélé la nature ondulatoire d'une molécule géante composée de 810 atomes il y a un peu plus de sept ans .
En fait, la phtalocyanine a été capturéesous forme de vague en 2017, en utilisant une configuration légèrement différente de celle-ci.
La différence cette fois était dans comment l'équipe a diffracté les ondes , substituant à la célèbre expérience originale de Thomson un processus de diffraction basé sur Lois de Bragg au lieu de la diffraction Raman-Nath plus traditionnelle.
Pour la plupart d'entre nous, ce changement subtil ne signifie pas un grand détail. Mais les chercheurs pourraient utiliser cette nouvelle technique pour créer des outils de diagnostic qui nous donneraient de nouvelles façons d'explorer une plus grande variété de propriétés des particules.
'La possibilité d'adresser sélectivement les bras dans une telle configuration permettrait, à son tour, de nouveaux schémas d'interférence utilisant la chiralité, la conformation et éventuellement enchevêtrement entre les degrés de liberté interne et externe des molécules», les chercheurs concluent dans leur rapport .
Avoir un aperçu de tous ces traits quantiques pourrait nous donner un aperçu des façonsles atomes s'emboîtent, nous aidant à mieux prévoir les processus de fabrication de nouveaux matériaux.
Cela pourrait même nous apprendre quelques nouvelles choses sur la nature des ondes et des particules elles-mêmes, nous permettant enfin de réconcilier une fois pour toutes les moitiés non miscibles de la réalité.
Cette recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique .