Une nouvelle méthode permet de mesurer la position en 3D d'atomes individuels
La méthode mise au point par les universités de Bonn et de Bristol utilise un principe physique ingénieux
Depuis plus d'une décennie, les physiciens peuvent mesurer avec précision l'emplacement d'atomes individuels avec une précision inférieure à un millième de millimètre à l'aide d'un type spécial de microscope. Toutefois, cette méthode n'a jusqu'à présent fourni que les coordonnées x et y. Les informations sur la position verticale de l'atome - c'est-à-dire la distance entre l'atome et l'objectif du microscope - font défaut. Une nouvelle méthode a été mise au point qui permet de déterminer les trois coordonnées spatiales d'un atome à partir d'une seule image. Cette méthode, développée par l'Université de Bonn et l'Université de Bristol, est basée sur un principe physique ingénieux. L'étude a été publiée récemment dans la revue spécialisée Physical Review A.
Quiconque a utilisé un microscope dans un cours de biologie pour étudier une cellule végétale se souviendra probablement d'une situation similaire. Il est facile de dire qu'un certain chloroplaste est situé au-dessus et à droite du noyau. Mais sont-ils tous deux situés sur le même plan ? En ajustant la mise au point du microscope, on constate que l'image du noyau devient plus nette alors que celle du chloroplaste s'estompe. L'un doit être un peu plus haut et l'autre un peu plus bas que l'autre. Cependant, cette méthode ne permet pas de connaître avec précision leur position verticale.
Le principe est très similaire si l'on veut observer des atomes individuels au lieu de cellules. La microscopie à gaz quantique peut être utilisée à cette fin. Elle permet de déterminer directement les coordonnées x et y d'un atome. En revanche, il est beaucoup plus difficile de mesurer sa coordonnée z, c'est-à-dire la distance par rapport à la lentille de l'objectif : Pour savoir sur quel plan se trouve l'atome, il faut prendre plusieurs images en déplaçant la mise au point sur différents plans. Il s'agit d'un processus complexe qui prend beaucoup de temps.
Transformer des points ronds en haltères
"Nous avons mis au point une méthode qui permet de réaliser ce processus en une seule étape", explique Tangi Legrand, de l'Institut de physique appliquée (IAP) de l'université de Bonn. "Pour ce faire, nous utilisons un effet connu en théorie depuis les années 1990, mais qui n'avait pas encore été utilisé dans un microscope à gaz quantique.
Pour faire des expériences sur les atomes, il faut d'abord les refroidir considérablement pour qu'ils ne bougent presque plus. Ensuite, il est possible, par exemple, de les piéger dans une onde stationnaire de lumière laser. Ils se glissent alors dans les creux de l'onde, un peu comme des œufs dans une boîte à œufs. Une fois piégées, pour révéler leur position, elles sont exposées à un autre faisceau laser, qui les stimule pour qu'elles émettent de la lumière. La fluorescence qui en résulte apparaît au microscope à gaz quantique sous la forme d'une tache ronde légèrement floue.
"Nous avons maintenant mis au point une méthode spéciale pour déformer le front d'onde de la lumière émise par l'atome", explique le Dr Andrea Alberti. Le chercheur, qui a quitté l'IAP pour l'Institut Max Planck d'optique quantique de Garching, a également participé à l'étude. "Au lieu des taches rondes typiques, le front d'onde déformé produit une forme d'haltère sur la caméra qui tourne sur elle-même. La direction dans laquelle cette haltère pointe dépend de la distance que la lumière a dû parcourir entre l'atome et la caméra".
"L'haltère agit donc un peu comme l'aiguille d'une boussole, ce qui nous permet de lire la coordonnée z en fonction de son orientation", explique le professeur Dieter Meschede. Le chercheur de l'IAP, dont le groupe de recherche a réalisé l'étude, est également membre du domaine de recherche transdisciplinaire "Matter" à l'université de Bonn.
Important pour les expériences de mécanique quantique
La nouvelle méthode permet de déterminer avec précision la position d'un atome en trois dimensions à l'aide d'une seule image. C'est important, par exemple, si l'on veut réaliser des expériences de mécanique quantique avec des atomes, car il est souvent essentiel de pouvoir contrôler ou suivre leur position avec précision. Les chercheurs peuvent ainsi faire interagir les atomes les uns avec les autres de la manière souhaitée.
En outre, la méthode pourrait également être utilisée pour aider à développer de nouveaux matériaux quantiques dotés de caractéristiques particulières. "Par exemple, nous pourrions étudier les effets mécaniques quantiques qui se produisent lorsque les atomes sont disposés dans un certain ordre", explique le Dr Carrie Weidner de l'université de Bristol. "Cela nous permettrait de simuler dans une certaine mesure les propriétés des matériaux tridimensionnels sans avoir à les synthétiser.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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