Connexion
Publiée récemment dans la revue scientifique Nature, une étude menée par des chercheurs européens marque une avancée majeure en physique. Les travaux ont été réalisés en Suisse, à l’Institut Paul Scherrer, un grand centre public de recherche spécialisé dans les technologies de pointe, en collaboration avec plusieurs universités européennes. Leur objectif était ambitieux : observer directement, pour la première fois, la manière dont les électrons interagissent entre eux à l’intérieur de la matière.
Au cœur de cette avancée se trouve une technique appelée mélange à quatre ondes de rayons X. Elle repose sur l’envoi de plusieurs impulsions de rayons X ultracourtes et extrêmement intenses, capables de créer puis de détecter ce que les physiciens appellent des cohérences électroniques. Ces cohérences décrivent la façon dont les électrons agissent ensemble plutôt que séparément. « Nous apprenons comment les électrons dansent entre eux, s’ils interagissent ou s’ils restent isolés », explique Gregor Knopp, chercheur à l’Institut Paul Scherrer et responsable de l’étude. « Cela nous offre une vision nouvelle des phénomènes quantiques qui gouvernent la matière ».
L’étude montre que grâce aux rayons X, il est désormais possible de zoomer directement à l’échelle électronique. « Là où d’autres méthodes observent les atomes ou les molécules dans leur ensemble, les rayons X nous permettent de cibler les électrons eux-mêmes », souligne Ana Sofia Morillo Candas, première auteure de l’étude. Cette capacité ouvre un champ d’observation inédit sur les mécanismes internes des matériaux.
Les implications sont particulièrement fortes pour le stockage de l’énergie. Dans une batterie, l’efficacité dépend de la stabilité des interactions électroniques au fil des cycles de charge et de décharge. En identifiant précisément où ces interactions se dégradent, les chercheurs espèrent fournir aux ingénieurs des indications concrètes pour concevoir des matériaux plus durables, capables de limiter les pertes d’énergie.
Les retombées sont tout aussi importantes pour l’informatique quantique. Ces ordinateurs, encore expérimentaux, stockent l’information dans des états quantiques extrêmement sensibles. Lorsque les cohérences électroniques se brisent, l’information disparaît. Comprendre ce phénomène est l’un des principaux obstacles au développement de machines quantiques fiables. L’étude ouvre ainsi la voie à une meilleure maîtrise de ces processus, indispensable pour réduire les erreurs et prolonger la durée de vie de l’information quantique.
Sur le plan expérimental, la réussite a longtemps été jugée quasi impossible. Le mélange à quatre ondes nécessite une précision extrême dans la manipulation de plusieurs faisceaux de rayons X, tout en détectant un signal d’une intensité infime. Pour contourner ces contraintes, les chercheurs ont adopté une solution inspirée des expériences menées avec des lasers optiques, utilisant une plaque percée de minuscules ouvertures pour faire interagir les faisceaux. « Nous avons été surpris par l’intensité du signal observé », reconnaît Gregor Knopp.
À terme, cette technique pourrait devenir un véritable outil d’imagerie scientifique, capable de localiser précisément où l’énergie et l’information se conservent ou se perdent à l’intérieur d’un matériau ou d’un dispositif technologique. Une avancée décisive pour concevoir des batteries plus performantes, des matériaux plus efficaces et des ordinateurs quantiques plus stables.
Comme le souligne Gregor Knopp, responsable de l’étude, « toutes les grandes technologies naissent d’un premier signal difficile à détecter. Celui-ci pourrait ouvrir un tournant durable dans notre manière de comprendre et d’exploiter la matière ».
Au cœur de cette avancée se trouve une technique appelée mélange à quatre ondes de rayons X. Elle repose sur l’envoi de plusieurs impulsions de rayons X ultracourtes et extrêmement intenses, capables de créer puis de détecter ce que les physiciens appellent des cohérences électroniques. Ces cohérences décrivent la façon dont les électrons agissent ensemble plutôt que séparément. « Nous apprenons comment les électrons dansent entre eux, s’ils interagissent ou s’ils restent isolés », explique Gregor Knopp, chercheur à l’Institut Paul Scherrer et responsable de l’étude. « Cela nous offre une vision nouvelle des phénomènes quantiques qui gouvernent la matière ».
Une clé pour mieux stocker l’énergie et l’information !
Jusqu’à présent, ces cohérences restaient largement hors de portée des techniques expérimentales. Les scientifiques pouvaient mesurer des électrons individuels, mais pas les liens fragiles qui les unissent. Or, ce sont précisément ces liens qui déterminent si un matériau conduit l’électricité, s’il stocke efficacement l’énergie ou s’il perd rapidement l’information qu’il contient.L’étude montre que grâce aux rayons X, il est désormais possible de zoomer directement à l’échelle électronique. « Là où d’autres méthodes observent les atomes ou les molécules dans leur ensemble, les rayons X nous permettent de cibler les électrons eux-mêmes », souligne Ana Sofia Morillo Candas, première auteure de l’étude. Cette capacité ouvre un champ d’observation inédit sur les mécanismes internes des matériaux.
Les implications sont particulièrement fortes pour le stockage de l’énergie. Dans une batterie, l’efficacité dépend de la stabilité des interactions électroniques au fil des cycles de charge et de décharge. En identifiant précisément où ces interactions se dégradent, les chercheurs espèrent fournir aux ingénieurs des indications concrètes pour concevoir des matériaux plus durables, capables de limiter les pertes d’énergie.
Les retombées sont tout aussi importantes pour l’informatique quantique. Ces ordinateurs, encore expérimentaux, stockent l’information dans des états quantiques extrêmement sensibles. Lorsque les cohérences électroniques se brisent, l’information disparaît. Comprendre ce phénomène est l’un des principaux obstacles au développement de machines quantiques fiables. L’étude ouvre ainsi la voie à une meilleure maîtrise de ces processus, indispensable pour réduire les erreurs et prolonger la durée de vie de l’information quantique.
Sur le plan expérimental, la réussite a longtemps été jugée quasi impossible. Le mélange à quatre ondes nécessite une précision extrême dans la manipulation de plusieurs faisceaux de rayons X, tout en détectant un signal d’une intensité infime. Pour contourner ces contraintes, les chercheurs ont adopté une solution inspirée des expériences menées avec des lasers optiques, utilisant une plaque percée de minuscules ouvertures pour faire interagir les faisceaux. « Nous avons été surpris par l’intensité du signal observé », reconnaît Gregor Knopp.
Et maintenant, jusqu’où peuvent-ils aller ?
La première démonstration a été réalisée sur un gaz noble, le néon, choisi pour sa simplicité et sa stabilité. Ce choix a permis de valider la méthode dans un environnement contrôlé, avant de l’appliquer à des systèmes plus complexes. Les prochaines étapes viseront des gaz plus élaborés, puis des liquides et des solides, où les interactions électroniques sont bien plus riches, affirment les auteurs de l’étude.À terme, cette technique pourrait devenir un véritable outil d’imagerie scientifique, capable de localiser précisément où l’énergie et l’information se conservent ou se perdent à l’intérieur d’un matériau ou d’un dispositif technologique. Une avancée décisive pour concevoir des batteries plus performantes, des matériaux plus efficaces et des ordinateurs quantiques plus stables.
Comme le souligne Gregor Knopp, responsable de l’étude, « toutes les grandes technologies naissent d’un premier signal difficile à détecter. Celui-ci pourrait ouvrir un tournant durable dans notre manière de comprendre et d’exploiter la matière ».
