Si elle frappe juste le bon ton, un chanteur peut briser un verre de vin. La raison est la résonance. Alors que le verre peut vibrer légèrement en réponse à la plupart des tonalités acoustiques, une tonalité qui résonne avec la fréquence naturelle du matériau peut envoyer ses vibrations en surmultiplication, provoquant l’éclatement du verre.
La résonance se produit également à une échelle beaucoup plus petite d’atomes et de molécules. Lorsque les particules réagissent chimiquement, cela est en partie dû à des conditions spécifiques qui résonnent avec les particules d’une manière qui les pousse à se lier chimiquement. Mais les atomes et les molécules sont constamment en mouvement, habitant un flou d’états de vibration et de rotation. Il était presque impossible de déterminer l’état de résonance exact qui déclenche finalement la réaction des molécules.
Les physiciens du MIT ont peut-être percé une partie de ce mystère avec une nouvelle étude parue dans la revue La nature. L’équipe rapporte qu’elle a pour la première fois observé une résonance dans la collision de molécules ultrafroides.
Ils ont découvert qu’un nuage de molécules de sodium-lithium (NaLi) super-refroidies disparaissait 100 fois plus vite que la normale lorsqu’il était exposé à un champ magnétique très spécifique. La disparition rapide des molécules est un signe que le champ magnétique a mis les particules en résonance, les poussant à réagir plus rapidement qu’elles ne le feraient normalement.
Les découvertes ont mis en lumière les forces mystérieuses qui poussent les molécules à réagir chimiquement. Ils suggèrent également que les scientifiques pourraient un jour exploiter les résonances naturelles des particules pour diriger et contrôler certaines réactions chimiques.
“C’est la toute première fois qu’une résonance entre deux molécules ultra-froides est observée”, déclare l’auteur de l’étude Wolfgang Ketterle, professeur de physique John D. MacArthur au MIT. “Il y avait des suggestions que les molécules sont si compliquées qu’elles ressemblent à une forêt dense, où vous ne pourriez pas reconnaître une seule résonance. Mais nous avons trouvé un grand arbre qui se démarquait, par un facteur de 100. Nous avons observé quelque chose de complètement inattendu. “
Les co-auteurs de Ketterle incluent l’auteur principal et étudiant diplômé du MIT Juliana Park, l’étudiant diplômé Yu-Kun Lu, l’ancien post-doctorant du MIT Alan Jamison, qui est actuellement à l’Université de Waterloo, et Timur Tscherbul à l’Université du Nevada.
Un mystère moyen
Au sein d’un nuage de molécules, les collisions se produisent constamment. Les particules peuvent s’entrechoquer comme des boules de billard frénétiques ou se coller ensemble dans un état bref mais crucial connu sous le nom de “complexe intermédiaire” qui déclenche alors une réaction pour transformer les particules en une nouvelle structure chimique.
“Lorsque deux molécules entrent en collision, la plupart du temps, elles n’atteignent pas cet état intermédiaire”, explique Jamison. “Mais quand ils sont en résonance, le taux d’aller dans cet état augmente considérablement.”
“Le complexe intermédiaire est le mystère derrière toute la chimie”, ajoute Ketterle. “Habituellement, les réactifs et les produits d’une réaction chimique sont connus, mais pas comment l’un conduit à l’autre. Connaître quelque chose sur la résonance des molécules peut nous donner une empreinte digitale de ce mystérieux état intermédiaire.”
Le groupe de Ketterle a recherché des signes de résonance dans les atomes et les molécules qui sont sur-refroidis, à des températures juste au-dessus du zéro absolu. De telles conditions ultra-froides inhibent le mouvement aléatoire des particules en fonction de la température, ce qui donne aux scientifiques une meilleure chance de reconnaître tout signe de résonance plus subtil.
En 1998, Ketterle a fait la toute première observation de telles résonances dans des atomes ultrafroids. Il a observé que, lorsqu’un champ magnétique très spécifique était appliqué aux atomes de sodium super-refroidis, le champ augmentait la façon dont les atomes se dispersaient les uns les autres, dans un effet connu sous le nom de résonance de Feshbach. Depuis lors, lui et d’autres ont recherché des résonances similaires dans des collisions impliquant à la fois des atomes et des molécules.
“Les molécules sont beaucoup plus compliquées que les atomes”, explique Ketterle. “Ils ont tellement d’états vibratoires et rotationnels différents. Par conséquent, il n’était pas clair si les molécules montreraient des résonances.”
Aiguille dans une botte de foin
Il y a plusieurs années, Jamison, qui était alors postdoctorant dans le laboratoire de Ketterle, a proposé une expérience similaire pour voir si des signes de résonance pouvaient être observés dans un mélange d’atomes et de molécules refroidis à un millionième de degré au-dessus du zéro absolu. En faisant varier un champ magnétique externe, ils ont découvert qu’ils pouvaient en effet capter plusieurs résonances parmi les atomes de sodium et les molécules de sodium-lithium, ce qu’ils ont rapporté l’année dernière.
Puis, comme le rapporte l’équipe dans la présente étude, l’étudiant diplômé Park a examiné de plus près les données.
“Elle a découvert que l’une de ces résonances n’impliquait pas d’atomes”, explique Ketterle. “Elle a soufflé les atomes avec la lumière laser, et une résonance était toujours là, très nette, et n’impliquait que des molécules.”
Park a découvert que les molécules semblaient disparaître – signe que les particules avaient subi une réaction chimique – beaucoup plus rapidement qu’elles ne le feraient normalement, lorsqu’elles étaient exposées à un champ magnétique très spécifique.
Dans leur expérience originale, Jamison et ses collègues ont appliqué un champ magnétique qu’ils ont fait varier sur une large plage de 1 000 gaussiennes. Park a découvert que les molécules de sodium-lithium disparaissaient soudainement, 100 fois plus vite que la normale, dans une infime partie de cette plage magnétique, à environ 25 milli-Gaussien. Cela équivaut à la largeur d’un cheveu humain par rapport à un bâton d’un mètre de long.
“Il faut des mesures minutieuses pour trouver l’aiguille dans cette botte de foin”, explique Park. “Mais nous avons utilisé une stratégie systématique pour zoomer sur cette nouvelle résonance.”
Au final, l’équipe a observé un signal fort indiquant que ce champ particulier résonnait avec les molécules. L’effet a augmenté les chances des particules de se lier dans un bref complexe intermédiaire qui a ensuite déclenché une réaction qui a fait disparaître les molécules.
Dans l’ensemble, la découverte permet de mieux comprendre la dynamique moléculaire et la chimie. Bien que l’équipe ne prévoie pas que les scientifiques soient capables de stimuler la résonance et de diriger les réactions au niveau de la chimie organique, il pourrait un jour être possible de le faire à l’échelle quantique.
“L’un des principaux thèmes de la science quantique est l’étude de systèmes de complexité croissante, en particulier lorsque le contrôle quantique est potentiellement en vue”, explique John Doyle, professeur de physique à l’Université de Harvard, qui n’a pas participé aux recherches du groupe. “Ce type de résonances, d’abord observées dans des atomes simples, puis dans des atomes plus compliqués, a conduit à des progrès étonnants en physique atomique. Maintenant que cela se voit dans les molécules, nous devons d’abord le comprendre en détail, puis laisser l’imagination vagabonder et penser à ce que cela pourrait être bon pour, peut-être construire de plus grandes molécules ultra-froides, peut-être étudier des états intéressants de la matière.”
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Foundation et le Bureau de la recherche scientifique de l’US Air Force.
