Percer les secrets des collisions moléculaires froides
À haute température, les molécules se comportent comme des boules de billard. Toutefois, à très basse température, la mécanique quantique devient dominante. Cela signifie que les molécules ne se comportent plus comme des «boules de billard classiques», mais plutôt comme des ondes quantiques. «Lors d’une collision, ces “ondes” commencent à interférer, ce qui donne lieu à de nouveaux phénomènes de collision moléculaire étranges qui ne peuvent pas se produire à haute température», explique Sebastiaan van de Meerakker, coordinateur du projet FICOMOL(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), rattaché à l’université Radboud(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), aux Pays-Bas. «Ces phénomènes ont été prédits il y a plusieurs dizaines d’années, mais sont restés insaisissables sur le plan expérimental. En effet, il est extrêmement difficile d’étudier les collisions moléculaires à des températures suffisamment basses.»
Pilotage des collisions moléculaires à l’aide de champs électriques
Le projet FICOMOL, soutenu par le Conseil européen de la recherche(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (CER), a entrepris de relever ce défi. «Pour ce faire, nous avons développé des méthodes permettant d’atteindre des températures aussi basses que 100 millikelvins», explique Sebastiaan van de Meerakker. «Nous avons également réalisé les toutes premières étapes de la fabrication de “boutons de contrôle” utilisant des champs électriques pour diriger les collisions moléculaires.» Un décélérateur Stark a été utilisé pour modifier la vitesse d’avancement des molécules, et des hexapoles courbes pour modifier leur trajectoire. Cela a permis à l’équipe du projet de laisser les molécules interagir les unes avec les autres avec une faible vitesse relative. «La température étant essentiellement une mesure du mouvement relatif des molécules, notre technique nous a permis de sonder les collisions à des températures inférieures à 100 millikelvins, sans avoir recours à des méthodes cryogéniques», explique Sebastiaan van de Meerakker. Les collisions ont été détectées à l’aide de puissants lasers, puis cartographiées en deux dimensions, révélant la vitesse et la direction de recul des molécules entrées en collision.
Phénomènes de diffusion à basse température
Ces techniques ont permis à l’équipe du projet d’étudier et de découvrir de nouveaux phénomènes de diffusion à basse température. «Ce travail est purement fondamental et sa principale motivation est la curiosité scientifique», explique Sebastiaan van de Meerakker. «Il pourrait toutefois y avoir des applications importantes. Les scientifiques qui travaillent avec des molécules froides mettent au point des méthodes permettant d’utiliser des molécules individuelles dans un ordinateur quantique, par exemple. Une compréhension approfondie des propriétés de collision des molécules individuelles à basse température est une condition préalable essentielle.» D’autres applications pourraient inclure l’astrochimie. «Nous savons que la région entre les étoiles dans l’univers est pleine de molécules qui interagissent les unes avec les autres», note Sebastiaan van de Meerakker. «Nous pouvons sonder la composition chimique de l’espace interstellaire à l’aide de télescopes spatiaux. Cependant, pour interpréter et modéliser ces observations, une compréhension approfondie des propriétés de collision des molécules individuelles à basse température est à nouveau une condition préalable essentielle.»
Dispositifs quantiques basés sur des molécules individuelles
Les futures lignes de recherche se concentreront sur deux questions clés. «Nous avons atteint des températures suffisamment basses pour commencer à manipuler les collisions avec des champs électriques ou magnétiques externes», indique Sebastiaan van de Meerakker. «Dans les années à venir, nous espérons pouvoir exploiter pleinement le potentiel de ce “bouton de contrôle supplémentaire”.» Deuxièmement, Sebastiaan van de Meerakker et ses collègues prévoient de développer de nouvelles méthodes pour réduire les températures atteignables de deux à trois ordres de grandeur supplémentaires. Une subvention avancée du CER a été obtenue pour atteindre ces objectifs au cours des cinq prochaines années. «Nous espérons percer tous les secrets des collisions moléculaires froides, au niveau de la mécanique quantique», ajoute Sebastiaan van de Meerakker. «Cela pourrait déboucher sur de nouveaux dispositifs quantiques basés sur des molécules individuelles, ce qui pourrait profiter à toute une série de domaines de recherche, de la science atmosphérique à l’astrochimie.»
