Effets quantiques détectés dans les collisions d'hydrogène et de gaz rares

5 juin 2023

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par l'Université libre de Berlin

Une équipe de recherche de la Freie Universität Berlin dirigée par la physicienne quantique, le professeur Christiane Koch, a démontré comment les molécules d'hydrogène se comportent lorsqu'elles entrent en collision avec des atomes de gaz rares tels que l'hélium ou le néon. Dans un article publié dans la revue Science, les chercheurs décrivent comment ils ont utilisé des simulations pour établir des liens entre les données des expériences et les modèles théoriques de la physique quantique.

L'étude comprend des calculs théoriques ainsi que des données recueillies lors d'expériences avec des atomes et des molécules menées à l'Université TU de Dortmund et à l'Institut Weizmann des sciences en Israël. L'équipe a pu montrer que les collisions modifient la façon dont les molécules vibrent et tournent selon les lois de la mécanique quantique. La recherche dans le domaine de la mécanique quantique continue de gagner en importance dans le monde d'aujourd'hui. De telles découvertes peuvent être appliquées au développement de téléphones portables, de téléviseurs, de satellites et de technologies de diagnostic médical.

L'effet quantique observé ici est connu sous le nom de résonance de Feshbach. "Pendant un bref instant après la collision, la molécule d'hydrogène et l'atome de gaz noble forment une liaison chimique, puis se séparent à nouveau", explique le professeur Koch de la Freie Universität Berlin.

Cependant, malgré les mesures et les calculs extrêmement détaillés pour un système relativement petit et simple, les chercheurs sont encore loin de pouvoir reconstruire les caractéristiques mécaniques quantiques complètes de la collision hydrogène-gaz noble. "Cela est dû à l'un des phénomènes fondamentaux de la mécanique quantique : lorsqu'il s'agit de mesures, vous ne pouvez pas contourner les principes de base de la physique classique. Cela crée un dilemme : nous sommes capables de décrire mathématiquement certains phénomènes de la mécanique quantique en termes abstraits, mais nous devons toujours utiliser des concepts de la physique classique pour bien les comprendre", explique Koch.

Les effets quantiques, c'est-à-dire les comportements qui ne peuvent être expliqués par les règles de la physique classique, apparaissent lorsque les atomes et les molécules ne peuvent plus être suffisamment décrits par la place qu'ils occupent et la vitesse à laquelle ils se déplacent. "Ils présentent des caractéristiques que nous associons à la dispersion des ondes, telles que les interférences, c'est-à-dire la superposition constructive ou destructive des ondes", explique Koch. En plus de cela, il existe d'autres phénomènes tels que l'intrication, qui se produit lorsque des objets de mécanique quantique exercent une influence immédiate les uns sur les autres malgré leur distance spatiale.

Les effets quantiques apparaissent généralement dans le domaine de très petits objets tels que les atomes et les molécules, et lorsque ces objets sont peu influencés par leur environnement. Ce dernier est atteint pendant de très courtes périodes de temps ou sous des températures extrêmement basses proches du zéro absolu (-273,15°C). "Dans ces circonstances, seule une petite quantité d'états dits quantiques est disponible pour ces particules. Le système se comporte essentiellement de manière ordonnée", explique Koch.

Des températures plus élevées permettent un plus grand nombre d'états quantiques dans les particules, et les effets de la mécanique quantique ont tendance à s'équilibrer lorsqu'ils sont distribués sous forme de moyenne statistique sur divers états, et disparaissent donc essentiellement de la vue. Dans cet état, le système se comporte de manière plus aléatoire et peut être décrit à l'aide de statistiques. Jusqu'à présent, même les collisions atome-molécule les plus froides ont affiché ce comportement statistiquement prévisible. "Cela a rendu presque impossible toute conclusion quant à l'interaction entre les atomes et les molécules, ce qui signifie que nous ne pouvions pas établir de lien direct entre les données expérimentales réelles et les modèles théoriques", explique Koch.

Plus d'information: Baruch Margulis et al, Tomographie des états de résonance de Feshbach, Science (2023). DOI : 10.1126/science.adf9888

Informations sur la revue :Science

Fourni par l'Université libre de Berlin