La chimie quantique est la branche de la chimie qui explore les applications de la mécanique quantique aux systèmes chimiques. Les études dans ce domaine peuvent aider à mieux comprendre le comportement de paires ou de groupes d’atomes à l’état quantique ainsi que les réactions chimiques résultant de leurs interactions.
De nombreuses études de chimie quantique ont spécifiquement exploré les interactions entre des paires d’atomes dans un état quantique. Bien que certains de ces travaux aient recueilli des informations intéressantes, ils étaient souvent limités par le manque de techniques disponibles pour observer et contrôler les résultats des collisions d’atomes individuels.
Des chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences ont tenté de concevoir de nouveaux outils plus avancés pour étudier les interactions de base entre une seule paire d’atomes. Dans un article récemment publié dans Physique naturelleils ont introduit une nouvelle technique basée sur la logique quantique qui peut être utilisée pour étudier les interactions entre un atome neutre ultrafroid et un ion froid.
« Lorsque les atomes sont amenés à de courtes distances, ils peuvent subir plusieurs processus tels que la libération d’énergie ou une réaction chimique, qui sont régis par la mécanique quantique », a déclaré Or Katz, l’un des chercheurs qui a mené l’étude, qui est maintenant à Duke. Université, a déclaré à Phys.org. « Les méthodes précédemment conçues peuvent être utilisées pour étudier ces processus, mais elles nécessitent un accès optique et un contrôle d’au moins un des atomes, ce qui limite considérablement les espèces atomiques ainsi que l’ensemble des interactions qui peuvent être étudiées en pratique. Notre travail atténue cette exigence et nous permet d’étudier l’interaction entre de nombreuses paires d’atomes en utilisant un seul atome supplémentaire, qui agit comme une sonde. »
Essentiellement, les chercheurs ont refroidi au laser puis piégé une paire d’ions et un nuage d’atomes neutres. Les ions ont été piégés dans un piège de Paul, en utilisant des champs électromagnétiques. Les atomes neutres, quant à eux, étaient piégés dans un réseau optique, qu’ils pouvaient faire entrer et sortir du piège de Paul à volonté.
« Nous étudions l’interaction d’un seul » ion chimique « avec un atome neutre en mesurant l’empreinte sur le deuxième » ion logique « dans le piège qui agit comme une sonde », a expliqué Katz. « Plus précisément, lorsque l’ion chimique gagne de l’énergie par son interaction avec un atome dans un processus exothermique (libération d’énergie), il pousse « l’ion logique », qui, dans notre configuration expérimentale, résulte de la fluorescence de la lumière. Détection de cette lumière de fluorescence à partir de l’ion logique révèle des informations sur le processus que l’autre ion et l’autre atome ont connu. »
Les travaux récents de Katz et de ses collègues ouvrent de nouvelles possibilités pour l’étude de processus qui étaient auparavant difficiles ou impossibles à sonder expérimentalement. Par exemple, la technique qu’ils ont introduite dans leur article pourrait être utilisée pour mesurer de nouveaux effets dans lesquels le mouvement des éléments atomiques et ioniques est caractérisé par une interférence quantique. En utilisant des outils développés précédemment, ces effets seraient très difficiles à observer et à examiner.
« Un indice pour un tel effet est déjà vu dans ce travail, reflété dans la différence de sections efficaces qui est mesurée pour l’interaction de différents isotopes de Sr+ avec 87Rb, mais la technique n’est pas limitée à cet exemple et peut être appliquée pour étudier effets quantiques dans de nombreuses autres paires », a ajouté Katz. « Nous prévoyons d’appliquer la même technique pour étudier des processus supplémentaires, tels que l’échange de spin ainsi que des réactions chimiques. »
En plus d’utiliser leur technique pour étudier d’autres processus, Katz et ses collègues prévoient de rassembler davantage de preuves des effets d’interférence quantique. Cela leur permettra d’évaluer davantage le potentiel des outils basés sur la mécanique quantique pour l’étude des interactions fondamentales entre les atomes.
Ou Katz et al, Détection logique quantique des collisions entre des paires atome-ion uniques, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01517-y
Lothar Ratschbacher et al, Contrôler les réactions chimiques d’une seule particule, Physique naturelle (2012). DOI : 10.1038/nphys2373
Tomas Sikorsky et al, Chimie atome-ion contrôlée par spin, Communication Nature (2018). DOI : 10.1038/s41467-018-03373-y
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