Des atomes qui se comportent comme des ondes: une découverte quantique à l’UCLouvain

Un siècle après l’hypothèse fondatrice selon laquelle toute particule matérielle possède un comportement ondulatoire, la physique quantique continue de révéler des aspects inattendus. À l’UCLouvain, des chercheurs ont récemment observé des atomes se comporter comme des ondes en traversant une feuille de graphène d’un atome d’épaisseur. 

Il y a cent ans, la physique quantique bouleversait notre compréhension de la matière : Louis de Broglie émettait l’hypothèse révolutionnaire selon laquelle toute particule élémentaire, comme les électrons, se comporte comme une onde. Confirmée expérimentalement dès 1927, cette hypothèse est à la base de la mécanique quantique. Lorsqu’une onde rencontre un obstacle, comme un réseau d’atomes, elle se dévie, interfère avec elle-même et forme un motif caractéristique sur un détecteur : c’est le phénomène de diffraction. En d’autres termes, c’est comme si on observait des vagues qui traversent une jetée percée de trous et dessinent, de l’autre côté, des zones calmes et agitées. Jusqu’ici, ce type d’expériences reposait principalement sur des électrons ou des rayons X, notamment pour analyser la structure des matériaux. 

Cependant, une équipe de recherche menée par Xavier Urbain, Maître de recherches FNRS à l’Institut de Matière condensée et des Nanosciences (IMCN) de l’UCLouvain, a récemment apporté une nouvelle pierre à cet édifice en posant la question suivante : un atome d’hydrogène conserverait-il son caractère ondulatoire en traversant une monocouche de graphène ?

« Observer un comportement ondulatoire pour des atomes entiers, et non plus seulement pour des particules élémentaires, représente un défi expérimental considérable », explique Xavier Urbain.

Le graphène, est une couche bidimensionnelle d’atomes de carbone. Structuré comme un tamis atomique, son réseau en nid d’abeille présente des ouvertures suffisamment grandes pour laisser passer, en théorie, de très petits atomes, comme l’hydrogène. En théorie, car à l’échelle quantique, l’espace n’est jamais réellement vide : les nuages d’électrons entourant les atomes de carbone interagissent avec l’atome incident, rendant la traversée plus complexe qu’il n’y paraît… 

Traverser le graphène sans perdre son caractère quantique

La réponse apportée par l’expérience est claire : oui. Après avoir traversé le graphène, les atomes d’hydrogène sont détectés individuellement grâce à un dispositif mesurant avec une grande précision leur position et leur énergie. L’accumulation de ces événements révèle des figures de diffraction bien définies, signatures d’un comportement ondulatoire préservé. « Le fait que l’atome conserve sa cohérence quantique malgré les interactions avec le graphène était loin d’être acquis », souligne Xavier Urbain.

Une nouvelle sonde pour explorer les matériaux bidimensionnels

Au-delà de son intérêt fondamental, cette expérience ouvre des perspectives importantes pour la science des matériaux. Contrairement aux électrons, les atomes utilisés ici comme sondes sont neutres : ils n’endommagent pas les échantillons et évitent les problèmes de charge électrique qui compliquent l’étude de nombreux matériaux, en particulier les isolants ou les structures très fragiles.

L’équipe de recherche a notamment constaté l’absence de dommages mesurables dans le graphène après l’irradiation, même à des énergies élevées. Ce résultat inattendu suggère que cette approche pourrait, à terme, devenir un outil d’analyse complémentaire aux techniques existantes permettant d’étudier finement les vibrations du réseau atomique, certaines propriétés magnétiques et la structure électronique des matériaux bidimensionnels.

« L’utilisation d’atomes comme sondes offre une manière différente – et potentiellement plus douce – d’explorer les propriétés des matériaux bidimensionnels », précise Benoît Hackens, Maître de recherche FNRS et professeur à l’UCLouvain et spécialiste du graphène.

Les matériaux bidimensionnels jouent un rôle croissant dans de nombreux domaines de recherche, de la nanoélectronique aux capteurs, en passant par l’énergie et les technologies quantiques. En développant de nouvelles méthodes pour caractériser ces matériaux à l’échelle la plus fine, ce type de recherche contribue à poser les bases de technologies futures : dispositifs plus économes en matériaux, composants ultrafins intégrables sur des supports flexibles, etc.

Cette expérience, publiée fin décembre dans la revue Physical Review Letters est le fruit d’une collaboration étroite entre physiciens expérimentateurs, spécialistes des matériaux et théoriciens, en partenariat avec des équipes internationales. Elle illustre la richesse des approches interdisciplinaires en physique contemporaine, au croisement de la théorie, de l’expérimentation et de la modélisation.

Légende des photos:

1. Xavier Urbain : « Observer un comportement ondulatoire pour des atomes entiers, et non plus seulement pour des particules élémentaires, représente un défi expérimental considérable. »
2. Image au microscope électronique de la grille qui soutient le graphène : on y voit les petits trous (environ 6,5 micromètres de large) sur lesquels repose la feuille de graphène.
3. Diffraction d’atomes d’hydrogène à travers une feuille de graphène d’un atome d’épaisseur : à gauche, l’image issue de l’expérience ; à droite, la prédiction théorique. Les motifs révèlent différentes orientations du réseau atomique du graphène.