Il y a six ans, un scientifique réussissait ce qu’aucun autre n’avait fait avant lui : photographier un unique atome. Cette image époustouflante avait ensuite remporté le grand prix de la Photographie Scientifique organisé par l’Engineering and Physical Sciences Research Council (Royaume-Uni). En quoi cette percée a-t-elle eu des répercussions sur la Science ?
Que sont les atomes ?
Les atomes se constituent d’un noyau, composé de protons et de neutrons, et d’électrons qui tournent autour du noyau. Pour rappel, les protons ont une charge positive, les électrons ont une charge négative et les neutrons n’ont pas de charge.
Ces atomes sont classés selon leur nombre de protons qui détermine leur élément chimique. On dénombre plus de cent éléments chimiques différents, allant de l’hydrogène, le plus simple, à l’oganesson, le plus complexe. Ces éléments peuvent alors se combiner pour former des molécules. En d’autres termes, les atomes sont les unités de base de la matière. Ils constituent l’ensemble de ce que nous pouvons voir, de l’air que nous respirons jusqu’aux plus grandes galaxies de l’univers. Leur étude est donc essentielle.
Ces travaux sont néanmoins particulièrement délicats, car les atomes sont incroyablement petits, de l’ordre de quelques dixièmes de nanomètre de diamètre (un nanomètre équivaut à un milliardième de mètre). Pour les manipuler, les physiciens utilisent des champs électromagnétiques. Pendant longtemps, cependant, les chercheurs les analysaient « par paquets », d’où l’intérêt de cette incroyable photo signée du physicien David Nadlinger, prise dans le cadre de ses recherches en physique quantique à l’Université d’Oxford. Cette photo nous montre en effet un unique atome de strontium.
Une véritable prouesse technique
Pour réaliser ce cliché, l’atome a d’abord été refroidi à une température très basse à l’aide d’un laser, puis piégé par des champs magnétiques qui l’ont maintenu en place. Une caméra à ions uniques a ensuite été utilisée pour éclairer l’atome avec un faisceau d’ions, de manière à le rendre visible. Sur la photo, il nous apparaît alors comme un petit point bleu brillant, suspendu dans le vide entre deux électrodes.
Notez que la photo a été prise en noir et blanc. Elle a ensuite été colorisée pour mieux mettre en évidence l’atome de strontium. Par ailleurs, elle ne montre pas directement le noyau de l’atome. En effet, les électrons, qui sont en mouvement rapide autour de ce dernier, sont les seuls à pouvoir interagir avec la lumière pour créer une image observable. C’est donc le nuage d’électrons autour du noyau qui est visible sur la photo, pas le noyau lui-même.
Crédits : David Nadlinger / Université d’Oxford
Pourquoi avoir choisi le strontium ?
Le physicien a jeté son dévolu sur le strontium pour plusieurs raisons. Tout d’abord, c’est un élément relativement courant dans la nature, ce qui en fait un choix pratique pour les expériences de physique quantique. Par ailleurs, le strontium est un élément qui se prête bien aux expériences de refroidissement, ce qui est nécessaire pour piéger un atome unique. Le refroidissement permet en effet de ralentir les mouvements de l’atome et de le maintenir en place.
Enfin, le strontium est un élément intéressant pour la recherche en physique quantique, car il a plusieurs isotopes, c’est-à-dire des formes différentes de l’élément qui ont des nombres différents de neutrons. Cela permet aux physiciens de réaliser des expériences comparatives pour étudier les propriétés quantiques de chaque configuration.
Quelles répercussions sur la science ?
Après avoir été publiée, cette photo a remporté le concours de photographie scientifique organisé par l’EPSRC. Cette mise en avant était largement méritée. Et pour cause, les physiciens ont longtemps cherché des moyens de manipuler les atomes individuels afin de les étudier et de les utiliser pour des applications telles que la computation quantique (une forme de calcul basée sur les principes de la mécanique quantique qui permettent d’effectuer des calculs beaucoup plus rapidement que les ordinateurs classiques actuels). Cette photo était donc la preuve que de telles manipulations sont désormais possibles.
La photo a également été saluée pour son incroyable capacité à capturer la beauté de la science et à « donner un visage » à la physique quantique. Depuis lors, elle est devenue célèbre dans le monde entier et a suscité de l’enthousiasme pour ce domaine d’étude particulièrement étrange et compliqué. Depuis, d’importantes avancées ont été faites dans la manipulation et le contrôle des atomes individuels grâce à des expériences de plus en plus précises.
