Quand les atomes ondulent : une avancée quantique à l’UCLouvain

Des atomes d’hydrogène se comportent comme des ondes en traversant le graphène

Un siècle après l’hypothèse de Louis de Broglie sur le comportement ondulatoire de la matière, la physique quantique continue de révéler de nouveaux phénomènes. À l’UCLouvain, des chercheurs ont démontré que des atomes d’hydrogène conservent leur nature ondulatoire en traversant une feuille de graphène d’une épaisseur d’un seul atome.

Jusqu’ici, les phénomènes de diffraction signature du comportement ondulatoire  étaient principalement observés avec des électrons ou des rayons X. L’équipe dirigée par Xavier Urbain, Maître de recherches FNRS à l’Institut de Matière condensée et des Nanosciences (IMCN), a relevé un défi expérimental majeur en observant ce phénomène pour des atomes entiers.

Le graphène, un matériau bidimensionnel constitué d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille, agit comme un véritable tamis atomique. Malgré les interactions quantiques complexes entre l’atome d’hydrogène et le réseau électronique du graphène, les atomes traversent la structure sans perdre leur cohérence quantique. Détectés individuellement, ils produisent des figures de diffraction nettes, preuve de leur comportement ondulatoire préservé.

Au-delà de l’avancée fondamentale, cette découverte ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude des matériaux bidimensionnels. Contrairement aux électrons, les atomes utilisés comme sondes sont neutres et n’endommagent pas les échantillons. Aucune détérioration du graphène n’a d’ailleurs été observée, même à haute énergie.

Cette nouvelle approche pourrait à terme compléter les techniques existantes pour analyser la structure électronique, les vibrations du réseau atomique ou certaines propriétés magnétiques de matériaux bidimensionnels, essentiels dans des domaines comme la nanoélectronique, l’énergie ou les technologies quantiques.

Les résultats de cette recherche, menée en collaboration avec des équipes internationales, ont été publiés fin décembre dans la revue Physical Review Letters.