Je choisisdans la sélection d’articles de cette semaine de vous traduire l’article de mécanique quantiquecar je me doute que certains de mes lecteurs sont restés sur des images figées ou trop simples de l’atome d’hydrogène et je désire rafraichirles données expérimentales qu’ils en ont ….
“'Quantum microscope' peers into the hydrogen “ : “ La microscopie quantique scrute à l’intérieur de l’atome d’hydrogène
Je vous présente la photo des auteurs
Dont la légende est « Mais qu'y a-t-il dans l'atome d hydrogène ?
La première observation directe de la structure orbitale d'un atome d'hydrogène excité vient d être faite par une équipe internationale de chercheurs. L'observation a été réalisée en utilisant un dispositif nouvellement développé dénommé "microscope quantique», qui utilise la microscopie de photo-ionisation pour visualiser la structure directement. La démonstration de l'équipe prouve que «la microscopie par photo-ionisation", qui a d'abord été proposée il y a plus de 30 ans, peut être expérimentalement réalisée et peut servir comme outil pour explorer les subtilités de la mécanique quantique.
Le flux d'information
Ce qu’ on appelle la « fonction d'onde » reste leprincipe central de la théorie quantique – pour direles choses plus simplement, elle contient le maximum de connaissances qui puisse être disponible sur l'état d'un système quantique. Plus précisément encore , la fonction d'onde n’ est quele résultatde la solution de l'équation de Schrödinger. Le carré de la fonction d'onde décrit la probabilité où exactement une particule peut se trouver à un moment donné. Bien qu'elle occupe une place importante dans la théorie quantique, la mesure directe oul’observation de la fonction d'onde n'est pas une tâche facile, cartoute observation directe détruit la fonction d'onde avant qu'ellepuisse être pleinement exploitée.
Dans le passé, des expériences dites par " paquet d'ondes de Rydberg " ont tenté d'observer la fonction d'onde en utilisant des impulsions laser ultrarapides. Dans ces expériences, les atomes étaient placés dans une superposition de leurs "états de Rydberg très excités ". Ces expériences montraient que les orbitales périodiques des électrons autour des noyaux pouvaient être décrites par des superpositions cohérentes des états stationnaires de la mécanique quantique. La fonction d'onde de chacun de ces Etats est une onde stationnaire avec un modèle nodal (un «nœud» décrit l’endroitoù il y a une probabilité nulle de trouver un électron) et qui reflètela valeur des nombres quantiques de l'Etat. Bien que les expériences précédentes aient tenté de capturerl’ insaisissablefonction d'onde ou les tracesnodales , les méthodes utilisées n'avaient pas abouti. L'observation directe de la structure nodale d'un seul atome étant encore plus difficile à réaliser.
Ondes de traçage
Dans ces nouveaux travaux, Aneta Stodolna, de l'Institut FOM pour la physique atomique et moléculaire aux Pays-Bas, travaillant avec Marc Vrakking au-Born Institut Max à Berlin, en Allemagne, et encore d'autres collègues en Europe et aux États-Unis ont montré que la microscopie par photo-ionisation peut obtenir directement la structure nodale de l'orbitale électronique de l'atome d'hydrogène s il est placé dans un champ électrique statique. Dans l'expérience, l'atome d'hydrogène est placé dans le champ électrique E et est excité par des impulsions laser. Les électrons ionisés s’échappentde l'atome et suivent une trajectoire particulière jusqu’au détecteur – une double plaque de détection à microcanaux (MCP) - qui est perpendiculaire au champ lui-même. Étant donné qu'il y a beaucoup de ces trajectoiresdoubles qui atteignent le même point sur le détecteur, des interférences peuvent être observées, que l'équipe peuvent magnifier par un facteur de plus de 20.000 à l'aide d'une lentille à zoom électrostatique. La figure d'interférence réfléchit directement la structure nodale de la fonction d'onde. Les expériences ont été effectuées dans les deux cas :avec ionisation résonnante impliquant un état de Rydberg etavec une ionisation non résonante.
L'équipe a choisi l'atome d'hydrogène, du fait de ses propriétés uniques. «Ces atomes d'hydrogène [] sont très particulier s... car l'hydrogène ne possède qu'un seul électron, qui interagit avec le noyau via une interaction purement Coulombienneet il adopte une structure particulière quand nous le plaçons dans un champ électrique continu», explique Vrakking. Il poursuit en précisant que, grâce au statut de son seul électron, la fonction d'onde de l'hydrogène peut s'écrire comme le produit de deux fonctions d'onde, qui décrivent comment il change en fonction de deux coordonnées seulement - ces coordonnées sont dites paraboliques. Autrement dit, l'hamiltonien de l'atome d'hydrogène (dans un champ électrique externe) décrit un fractionnement de ses niveaux d'énergie, qui est connu sous le nom d’«effet Stark". Plus important encore, ce «hamiltonien Stark " est exactement séparable en fonction des deux coordonnées paraboliques, lesquelles sont des combinaisons linéaires de la distance r de l'électron au noyau de l'hydrogène et du déplacement de l'électron le long de l'axe z du champ électrique.
Vrakking dit àPhysicsworld.com que la forme des deux fonctions d'ondes paraboliques est donc «totalement indépendante de la force du champ, et qu’ elleest donc invariable – elle reste la même lorsque les électrons voyagentpour plus d'un demi-mètre dans l'expérience – c’est tout le chemin depuis l'endroit où l'ionisation se produit jusque vers le haut du détecteur 2D ". Cela, il l'explique, reste essentiel à l'extension de la distribution spatiale pour permettre d’ agrandirl’observationdes modèles nodaux jusqu’ à des dimensions d’échelle millimétrique, où ils peuvent alors être observés à l'œil nu sur le détecteur 2D et enregistrées avec un système de caméra. "Ce que vous voyez sur le détecteur , c’ est ce qui existe dans l'atome», dit-il. Le groupe a observé plusieurs centaines de milliers d'événements d'ionisation pour obtenir des résultats, avec la même préparation de la fonction d'onde pour chacun.
Ce qui se trouve « dedans » !
La figure en haut de cet article montre le résultat principal de l'équipe - les données brutes delaCamera pour quatre mesures, où les atomes d'hydrogène ont étéexcités dans desétats avec zéro, un, deux et trois nœuds de la fonction d'onde de l'une des coordonnées parabolique. "Si vous regardez les projections mesurées sur le détecteur, vous pouvez facilement reconnaître les nœuds, etreconnaitreleur structure en forme d'anneau radial», ajoute Vrakking.
L’Œil de l'atome est le nom donné àla photo
Il souligne également la "différence frappante» entre les images enregistrées après excitation de la résonance et les images enregistrées après excitation non résonante - cela se voit dans l'image vers la droite, où une comparaison est donnée entre une mesure prise pour une résonance et deux non- nœuds de résonance.Les Images (A) et (C) ont été prélevés après ionisation non résonnante, tandis que pour l'image centrale, (B), le laser est accordé sur la résonance avec les deux noeuds de la fonction d'onde. Pour l'ionisation de résonance, l'anneau externe s'étend beaucoup plus loin radialement, par rapport aux deux autres images - quelque chose qui pourrait être expliqué par un type particulier d'effet tunnelen train de se dérouler.
Vrakking ajoute que le but ultime de la recherche était d'étudier et de visualiser l'atome d'hydrogène. Les expériences futures pourront voir comment réagirait l'atome dans un champ magnétique, résoudre l'étude en temps dela dynamique des électrons, enquêter sur la microscopie holographique d'interférence et peut-être même observer des molécules en utilisant la microscopie à photo-ionisation.
L’Hélium sous le microscope
Actuellement, cependant, les chercheurs étudient et analysent un atome d'hélium en utilisant la microscopie à photo-ionisation, et un document sur ce sujet sera publié dans les prochains mois. "Comme il y a deux électrons dans un atome d'hélium, nous obtenons quelques informations très intéressantes», explique Vrakking. Il soutient que, par certains aspects les réponses de l'atome d'hélium sont très semblables à celles de l'hydrogène, il y a aussi quelques différences majeures. "Bien que l'un des électrons l'hélium reste très étroitement lié au noyau,l'autre paraittrès très excitable , nous pouvons alors constaterquechaqueélectrons connait l'existence de l'autre et en quelque sorte qu'ils« se parlent »,« dit Vrakking, expliquant que cela pourrait permettre à l'équipe de «voir» l'enchevêtrement des électrons.
La recherche est publiée dans la revue Physical Review Letters.
À propos de l'auteur : Tushna Commissariat duphysics world
CETTE MANIP EST TELLEMENT SPECTACULAIREqu’elle a engendré une flopée de commentaires admiratifsque je vous encourage a traduire vous-même , tant l Obs va finir par me jeter dehors avec ma trop longue prose !
POUR LES AUTRES DONT CERTAINS sont questionnables jetez vous-même le coup d’oeil de la sélection
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