Des chercheurs génèrent, pour la première fois, un faisceau vortex d’atomes et de molécules

Les tourbillons peuvent évoquer une image mentale de vortex et de tornades – des masses d’eau et d’air tourbillonnantes – mais ils peuvent également exister à des échelles beaucoup plus petites. Dans une nouvelle étude publiée dans ScienceDes chercheurs du Weizmann Institute of Science, en collaboration avec des collaborateurs du Technion-Israel Institute of Technology et de l’Université de Tel Aviv, ont créé pour la première fois des vortex à un seul atome. Ces tourbillons peuvent aider à répondre à des questions fondamentales sur le fonctionnement interne du monde subatomique, et ils peuvent être utilisés pour améliorer une variété de technologies, par exemple, en fournissant de nouvelles capacités pour les microscopes atomiques.

Les scientifiques cherchent depuis longtemps à produire différents types de vortex à l’échelle nanométrique en laboratoire, en se concentrant récemment sur la création de faisceaux de vortex – des flux de particules ayant des propriétés de spin – dont la structure quantique interne peut être mise en rotation. Un vortex composé de particules élémentaires, d’électrons et de photons a été créé expérimentalement dans le passé, mais jusqu’à présent, seuls des faisceaux vortex d’atomes ont existé en tant qu’expérience de pensée. « Au cours d’une discussion théorique avec le professeur Ido Kaminer du Technion, nous avons eu l’idée d’une expérience qui générerait des tourbillons à partir d’atomes uniques », a déclaré le Dr Yair Segev, qui a récemment terminé son doctorat. Études dans le groupe du professeur Edvardas Narevicius du Département de physique chimique et biologique de Weizmann.

En physique classique, les objets en rotation ont souvent une propriété connue sous le nom de moment angulaire. Semblable à la quantité de mouvement linéaire, il décrit l’effort requis pour arrêter un objet en mouvement dans son élan, ou plutôt pour l’empêcher de tourner. Tourbillons – caractérisés par la rotation couler Autour d’un axe – incarne parfaitement cette caractéristique dans sa rotation inflexible.

Cependant, la propriété très basique du moment angulaire, qui caractérise aussi bien les tourbillons naturels, grands et petits, prend une tournure différente dans Échelle quantique. Contrairement à leurs homologues physiques classiques, une particule quantique ne peut prendre aucune valeur pour le moment angulaire ; Au lieu de cela, ils ne peuvent prendre des valeurs que dans des parties séparées, ou « quanta ». Une autre différence est la façon dont la particule du vortex transporte son moment angulaire – non pas comme un ventilateur solide et rotatif, mais comme une onde qui s’écoule et s’enroule autour de sa propre force. Axe de mouvement.

Ces vagues peuvent être façonnées et manipulées de la même manière que les brise-lames sont utilisés pour diriger le flux d’eau de mer près du rivage, mais à une échelle beaucoup plus petite. « En plaçant des obstacles physiques sur le chemin d’un atome, nous pouvons manipuler sa forme d’onde sous différentes formes », explique Alon Lusky, Ph.D. Étudiant au groupe Narevisius. Luski et Segev, qui ont dirigé la recherche avec Rea David de leur groupe, ont collaboré avec des collègues de l’Université de Tel Aviv pour développer une approche innovante pour diriger le mouvement des atomes. Ils ont créé des motifs de « coupes d’onde » à l’échelle nanométrique appelés réseaux de micro-céramique comprimés, de plusieurs centaines de nanomètres de diamètre, avec des motifs de fentes spécifiques. Lorsque les fissures sont disposées en forme de fourche, chaque atome qui les traverse se comporte comme une onde qui traverse un obstacle physique, de cette manière il gagne un moment angulaire et apparaît comme un vortex en rotation. Ces « nano-dents » ont été produites grâce à un processus de nanofabrication développé spécifiquement pour cette expérience par les Drs Ora Peyton et Hela Nadler, toutes deux du département de soutien à la recherche chimique de Weizmann.

Pour générer et surveiller les tourbillons atomiques, les chercheurs dirigent un faisceau supersonique d’atomes d’hélium dans ces réseaux fourchus. Avant d’atteindre les réseaux, le faisceau traverse un système de fentes étroites qui bloquent certains atomes, ne transmettant que des atomes qui se comportent comme de grandes ondes – celles qui sont les mieux adaptées pour être formées par des réseaux. Lorsque ces atomes « ondulés » interagissent avec les « épines », ils forment des tourbillons dont l’intensité est enregistrée et photographiée par un détecteur.

Il en résulte une image circulaire de millions d’atomes d’hélium tourbillonnants qui entrent en collision avec le détecteur. « Quand nous avons vu l’image comme un gâteau circulaire, nous savions que nous avions réussi à créer des tourbillons de ces atomes d’hélium », explique Segev. Comme « l’œil » d’une tempête, le centre de ces « gâteaux » représente l’espace dans lequel chaque vortex atomique est le plus silencieux – l’intensité des vagues y est nulle, donc il n’y a pas d’atomes là-bas. « Le gâteau est l’empreinte d’une série de différents paquets de tourbillons », explique Narevisius.

Au cours des expériences, les chercheurs ont fait une étrange observation. « Nous avons vu qu’en plus des beignets parfaitement formés, il y avait aussi quelques petits points de » bruit «  », explique Segev. « Au début, nous pensions qu’il s’agissait d’un dysfonctionnement matériel, mais après une enquête approfondie, nous avons réalisé que ce que nous recherchions car étaient en fait des particules inhabituelles, Chacune est constituée de deux atomes d’hélium, réunis dans nos faisceaux. » En d’autres termes, ils ont généré tourbillonne Non seulement les atomes mais aussi les molécules.

Bien que les chercheurs aient utilisé de l’hélium dans leurs expériences, la configuration expérimentale peut accueillir des études d’autres éléments et molécules. Il peut également être utilisé pour étudier des propriétés subatomiques cachées, telles que la distribution de charge de protons ou de neutrons qui ne peuvent être détectés que lorsque l’atome tourne. Luski donne l’exemple d’une montre mécanique : « Les montres mécaniques sont constituées de petits engrenages et d’engrenages, chacun se déplaçant à une certaine fréquence, semblable à la structure interne d’un atome. Imaginez maintenant prendre cette montre et la faire tourner – ce mouvement peut changer le fréquence interne des engrenages, et la structure interne peut également être exprimée en propriétés Vortex.

En plus de fournir une nouvelle méthode pour étudier les propriétés fondamentales de la matière atomique tourbillon Les faisceaux peuvent être utilisés dans de nombreuses applications technologiques, telles que la microscopie atomique. Interaction entre la filature atomes Et tout matériau examiné pourrait conduire à la découverte de nouvelles propriétés de ce matériau, ajoutant des données importantes auparavant inaccessibles à de nombreuses expériences futures.