Les physiciens de l’Université Rice (Etats-Unis) n’y sont allés de main morte pour prouver que les lois classiques d’Isaac Newton sur le mouvement (notamment la loi universelle de la gravitation) peuvent s’appliquer dans le monde de l’atome : ils ont construit un modèle précis, d’une partie du système solaire, à l’intérieur d’un seul atome de potassium.

Ils ont montré qu’ils pouvaient mettre en orbite un électron, dans un atome, autour du noyau exactement de la même manière que les astéroïdes troyens qui partagent l’orbite de la planète Jupiter, tournent en orbite autour du soleil.

Les résultats ont respecté une prédiction faite en 1920 par le célèbre physicien danois Niels Bohr, le Modèle de Bohr sur la relation entre, à l’époque, la nouvelle science de la mécanique quantique et de celle de Newton qui a fait ses lois du mouvement. "Bohr prédit que les descriptions de la mécanique quantique du monde physique correspondraient, pour les systèmes de taille suffisante, aux descriptions classiques fournies par la mécanique newtonienne”, a déclaré le chercheur principal Barry Dunning, professeur de physique et président du Département de Physique et d’astronomie de l’université Rice. "Bohr a également décrit les conditions dans lesquelles cette correspondance pourrait être observée. "

Dans cette nouvelle expérience, les étudiants diplômés de l’université Rice, Brendan et Wyker Shuzhen Ye ont commencé en utilisant un laser ultraviolet afin de créer un atome de Rydberg. Les atomes de Rydberg contiennent un électron très excité avec un très grand nombre quantique principal. Dans les expériences de Rice, les atomes de potassium avec des nombres quantiques entre 300 et 600 ont été étudiés.

“Dans ces états excités, les atomes de potassium deviennent des centaines de milliers de fois plus grands que la normale," a déclaré Dunning. "Ainsi, ils sont de bons candidats pour tester la prédiction de Bohr." Il rajoute : comparer les descriptions classiques et quantiques des orbites d’électrons est compliquée, en partie parce que les électrons existent en tant que particules et ondes. Pour "localiser" un électron, les physiciens calculent la probabilité pour trouver l’électron, à différents endroits, à un moment donné. Ces prédictions sont combinées pour créer une "fonction d’onde” qui décrit tous les endroits où l’électron pourrait être trouvé. Normalement, la fonction d’onde d’un électron ressemble à un nuage diffus qui entoure le noyau atomique, parce que les électrons peuvent être trouvés sur n’importe quel côté du noyau à un moment donné.

Dunning et des collègues avaient déjà utilisé une séquence adaptée d’impulsions de champ électrique pour faire s’effondrer la fonction d’onde d’un électron en un atome de Rydberg; cela crée une limite pour une version localisée, dans une zone en forme de virgule appelée “paquet d’ondes” en orbite autour du noyau de l’atome, un peu comme une planète tourne autour du soleil. Mais l’effet ne dure que pendant un court moment.

Ils ont réussi en appliquant un champ de fréquence radio qui tourne autour du noyau lui-même. Ce champ piège l’électron localisé et le force à tourner au même rythme autour du noyau.

Une impulsion de champ électrique a été également utilisée pour mesurer le résultat final en prenant un instantané du paquet d’ondes et détruire le délicat atome de Rydberg dans le processus. Après que l’expérience ait été exécutée des dizaines de milliers de fois, tous les clichés ont été combinés pour montrer que la prédiction de Bohr était correcte : les descriptions classiques et quantiques des paquets d’ondes d’électrons en orbite correspondaient. En fait, la description classique du paquet d’ondes piégées par le champ tournant est analogue à la physique classique qui explique le comportement des astéroïdes troyens de Jupiter.

Les astéroïdes troyens de Jupiter sont au nombre de 4000 ou plus, ainsi appelés parce que chacun est nommé à partir d’un héros de la guerre de Troie. Ils ont la même orbite que Jupiter et sont contenus dans des nuages en forme de virgule ​​qui semblent remarquablement similaires aux paquets d’ondes localisées, créées dans les expériences de Rice. Et comme le paquet d’ondes dans l’atome qui est piégé par le champ électrique du noyau et de l’onde tournante, les astéroïdes sont piégés par le champ gravitationnel combiné du soleil et de l’orbite autour de Jupiter.

Les chercheurs travaillent actuellement sur leur prochaine expérience : ils tentent de localiser deux électrons pour les faire orbiter autour du noyau, comme deux planètes dans des orbites différentes.

"Le niveau de contrôle, que nous sommes en mesure de réaliser dans ces atomes, aurait été impensable il y a quelques années et a des applications potentielles dans, par exemple, l’informatique quantique et pour contrôler les réactions chimiques utilisant des lasers ultrarapides”, explique Dunning.

La recherche publiée sur le Physical Review Letters : Creating and Transporting Trojan Wave Packets et sur le site de l’université Rice : Rice lab mimics Jupiter’s Trojan asteroids inside a single atom.