Une équipe de physiciens de l'Université Goethe de Francfort, en collaboration avec l'Institut Max Planck de physique nucléaire, a réussi une avancée majeure en visualisant pour la première fois le mouvement quantique au point zéro au sein d'une molécule complexe. Cette étude, publiée en août 2025, confirme que même à la température du zéro absolu, les atomes d'une molécule ne sont pas immobiles mais effectuent des vibrations coordonnées, impulsées par l'énergie du point zéro.
Sous la direction du Professeur Till Jahnke, les chercheurs ont utilisé les impulsions laser à rayons X ultracourtes et de haute intensité de l'European XFEL. Ces impulsions ont provoqué des explosions contrôlées dans des molécules d'iodopyridine. L'analyse des fragments moléculaires résultants, réalisée à l'aide d'un microscope de réaction COLTRIMS spécialement conçu, a permis de reconstituer les structures moléculaires d'origine et de capturer les mouvements subtils et corrélés des atomes. Cette prouesse technique offre une preuve directe de la "danse éternelle" des atomes, un phénomène jusqu'alors purement théorique.
Contrairement à la physique classique qui prédit l'immobilité des molécules en l'absence de chaleur, la mécanique quantique postule que les atomes ne sont jamais complètement figés. L'énergie du point zéro, l'énergie minimale qu'un système quantique peut posséder, est responsable de ces vibrations persistantes. Cette observation directe du mouvement quantique au point zéro, un phénomène purement mécanique quantique échappant aux explications classiques, ouvre de nouvelles perspectives pour la compréhension fondamentale de la mécanique quantique.
Les implications de cette découverte sont considérables. Elles pourraient accélérer la recherche sur les réactions photochimiques, des processus essentiels dans des domaines variés tels que la photosynthèse ou la vision humaine. La méthode développée, capable de créer des "films moléculaires", promet d'améliorer notre compréhension des processus dynamiques à l'échelle atomique. Le Professeur Jahnke et son équipe envisagent d'ores et déjà d'étendre ces travaux à l'observation de la danse des électrons, un mouvement encore plus rapide et intrinsèquement lié aux vibrations atomiques.
L'utilisation du microscope de réaction COLTRIMS, une technique de pointe développée à Francfort, a été cruciale. Elle permet de reconstruire la structure moléculaire avec une précision sans précédent, même après l'explosion contrôlée de la molécule. Cette approche a permis de dépasser les limites antérieures de la technique, qui était auparavant limitée aux molécules de petite taille. L'étude a révélé que les atomes ne vibrent pas isolément mais de manière couplée, suivant des schémas bien définis, confirmant des prédictions de la chimie quantique qui n'avaient jamais été mesurées directement dans des molécules aussi complexes.
Cette recherche s'inscrit dans une lignée d'expériences visant à sonder les mystères du monde quantique. La capacité à visualiser directement ces fluctuations quantiques ouvre la voie à une compréhension plus approfondie des fondements de la mécanique quantique et pourrait mener à des avancées dans des domaines variés tels que la médecine, la production d'énergie durable et la science des matériaux.