Des chercheurs de l’Université de Bâle ont réussi à observer et contrôler des vibrations quantiques extrêmement rares dans des molécules individuelles d’azote. Ces transitions dites « interdites » pourraient servir de référence à de futures horloges moléculaires ultraprécises, mais aussi contribuer au développement de qubits et à la recherche d’une nouvelle physique.
En physique quantique, « interdit » ne signifie pas impossible. Ces transitions sont simplement extraordinairement peu probables : certaines vibrations moléculaires sont plus d’un milliard de fois plus difficiles à exciter que des transitions ordinaires. Leur intérêt réside précisément dans cette faiblesse, car elles répondent à des fréquences lumineuses extrêmement bien définies et potentiellement très stables.
L’équipe dirigée par Stefan Willitsch, au Département de chimie de l’Université de Bâle, a étudié des ions moléculaires d’azote piégés individuellement. Une seconde particule, un ion calcium, sert de capteur grâce à une technique appelée spectroscopie par logique quantique. Elle permet de déterminer l’état de la molécule sans la détruire et de répéter les mesures sur le même objet.
En combinant les mesures de plusieurs centaines de molécules individuelles, les chercheurs ont déterminé leur fréquence vibratoire fondamentale avec une précision dix fois supérieure aux mesures précédentes.
Publiés dans Nature Communications, ces travaux pourraient permettre de concevoir des références de temps particulièrement stables. Ils pourraient aussi tester si certaines constantes fondamentales, comme le rapport entre les masses du proton et de l’électron, évoluent au cours du temps.