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Le Monde , selon la PHYSIQUE ( pHYSICS WORLD WEEK 21): Spectaculaire manip sur l'atome d' hydrogène!

Publié le 27 mai 2013 par 000111aaa

Je choisis  dans la sélection d’articles de cette semaine de vous traduire l’article de mécanique quantique  car 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 rafraichir  les 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

Capture.PNG atome de h  2.PNG

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 le  principe central de la théorie quantique – pour dire  les 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 que  le résultat  de 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 ou  l’observation de la fonction d'onde n'est pas une tâche facile, car  toute observation directe détruit la fonction d'onde avant qu'elle  puisse 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’endroit  où il y a une probabilité nulle de trouver un électron) et qui reflète  la valeur des nombres quantiques de l'Etat. Bien que les expériences précédentes aient tenté de capturer  l’ insaisissable  fonction d'onde ou les traces  nodales , 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’échappent  de 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 trajectoires  doubles 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 et  avec   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 Coulombienne  et 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 à  Physicsworld.com que la forme des deux fonctions d'ondes paraboliques est donc «totalement indépendante de la force du champ, et   qu’ elle  est donc invariable – elle reste la même lorsque les électrons voyagent  pour 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’ agrandir  l’observation  des 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 de  la  Camera pour quatre mesures, où les atomes d'hydrogène ont été  excités dans des  états 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, et  reconnaitre  leur structure en forme d'anneau radial», ajoute Vrakking.

L’Œil de l'atome est le nom donné à  la 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 tunnel  en train de se dérouler.

Capture.PNG atome de h.PNG

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 de  la 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 parait  très très excitable , nous pouvons alors   constater  que  chaque  électrons 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 du  physics world

  CETTE MANIP EST TELLEMENT SPECTACULAIRE  qu’elle a engendré une flopée de commentaires    admiratifs  que je vous encourage a traduire vous-même   , tant l Obs va finir par me jeter dehors avec ma trop longue prose !

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