Une nanoparticule en lévitation détecte les collisions avec des atomes isolés

Une nanoparticule de silice en lévitation grâce à un laser dans une chambre à vide peut enregistrer les collisions avec des atomes et des molécules de gaz isolés, rapportent des physiciens de l'Université Yale et du Lawrence Berkeley National Laboratory dans Physical Review Letters. Cette expérience de preuve de principe suggère que la sphère pourrait servir de minuscule capteur de pression, et elle est née des travaux de l'équipe sur de nouveaux détecteurs de neutrinos et de matière noire.

Pourquoi les collisions de fond comptent

Les physiciens ont proposé que des particules hypothétiques comme la matière noire puissent être détectées lorsqu'elles se diffusent occasionnellement sur des objets de taille nanométrique maintenus dans des pièges optiques, qui utilisent un faisceau laser focalisé pour garder une particule en place. Autrement, si un nano-objet contient une substance radioactive, le recul de l'objet pourrait révéler l'impulsion des produits de désintégration. Les deux approches exigent une image claire du bruit de fond inévitable : les collisions entre la particule et le gaz résiduel de la chambre à vide.

« Généralement, quand un atome percute un atome, il disparaît tout simplement, parce que l'impact est si grand qu'on ne peut pas le garder dans le piège », explique Yu-Han Tseng, de Yale. Il ajoute que c'est la raison principale pour laquelle les expériences avec des pinces à atomes ont une durée de vie limitée, puisque le gaz continue de heurter les atomes piégés.

Comment l'expérience s'est déroulée

Tseng et ses collègues du groupe de David Moore à Yale ont piégé une nanosphère de silice de 50 nm de rayon avec un faisceau laser focalisé à l'intérieur d'une chambre à vide. Au foyer du piège, la particule effectue un mouvement harmonique simple, oscillant d'avant en arrière comme une masse au bout d'un ressort. Les chercheurs ont ensuite injecté de petites quantités de différents gaz, dont les atomes ou molécules frappaient au hasard la sphère, bien plus grosse.

Sans le piège, de tels impacts feraient errer la sphère au hasard, un effet bien connu appelé mouvement brownien, et la suivre serait impossible. Dans le piège, chaque collision perturbait au contraire l'oscillation régulière de la sphère sans la déloger. L'équipe a surveillé le mouvement le long de la direction du laser de piégeage grâce à la phase de la lumière laser rétrodiffusée et a détecté, à partir des perturbations, l'impulsion de collisions individuelles.

Ils ont testé trois gaz : le krypton, le xénon et l'hexafluorure de soufre. Partant du vide le plus poussé qu'ils pouvaient atteindre, ils ont augmenté graduellement la pression jusqu'à environ 1,5 nbar, bien en deçà de la pression atmosphérique d'environ 1 bar. Pour chaque gaz, ils ont pris des données à sept pressions, en enregistrant la fréquence et la taille des impulsions individuelles. La fréquence des impulsions augmentait avec la pression et était globalement cohérente avec les prévisions de la théorie cinétique des gaz.

Utilisations possibles

« Je pense que ce qui est vraiment unique, c'est que, même avec un objet macroscopique, nous pouvons faire une mesure très précise », dit Tseng. Les chercheurs pensent que résoudre des collisions individuelles avec un objet macroscopique pourrait être utile dans diverses expériences, et potentiellement comme futur étalon de pression. Clarke Hardy, collègue à Yale, dit que l'équipe serait ravie que quelqu'un en fasse un capteur de pression fonctionnel pouvant être intégré à un autre système. L'objectif du groupe lui-même est ailleurs : Hardy explique qu'ils prévoient de doper les nanosphères avec des isotopes radioactifs dont les désintégrations leur permettraient de reconstruire l'impulsion des neutrinos émis.

Un résultat parallèle venu de Zurich

Maxime Perdriat de l'ETH Zurich, auteur principal d'un article publié plus tôt cette année dans Physical Review A, et ses collègues ont aussi détecté des impulsions d'atomes isolés sur une nanosphère dans une pince optique. Ils ont comparé les impulsions d'un faisceau supersonique d'atomes de xénon avec les impulsions thermiques du gaz s'écoulant dans la chambre. Perdriat, qui n'a pas participé aux travaux de Yale, les a qualifiés de « résultat extraordinaire », car ils distinguent le régime où des atomes isolés peuvent être résolus de celui où il y a trop d'atomes pour être résolus, ce qui compte pour la recherche de matière noire et de neutrinos stériles.

D'autres découvertes en physique et dans d'autres domaines sont rassemblées dans notre rubrique science.