Six ions baryum s'alignent en un hexagone plat à l'intérieur d'un piège de Paul, un dispositif qui maintient des particules chargées grâce à des champs électriques variables. Mais il suffit de modifier légèrement la forme du potentiel de confinement pour que le cristal se réorganise : un ion se déplace vers le centre, et les cinq autres forment un anneau autour de lui. Voilà à quoi ressemble une isomérisation, la réorganisation d'une molécule entre différentes formes spatiales, sauf qu'au lieu d'une minuscule molécule, on a affaire à un cristal d'environ dix micromètres, soit cent mille fois plus grand qu'un cycle benzénique.

Les physiciens de Florence et de Turin ont utilisé ce cristal caméléon comme modèle de laboratoire des transformations moléculaires. En faisant varier le rapport des fréquences d'oscillation du piège le long de deux axes, ils ont fait passer le système d'une forme stable à l'autre de manière progressive. Pour certains paramètres, une région de bistabilité apparaît, où les deux états stables coexistent, et le cristal peut se trouver soit en hexagone, soit en pentagone avec un ion au centre. La barrière d'énergie entre ces deux formes était de quelques dizaines de millikelvins, et le temps de transition variait de 0,2 à 1,4 milliseconde.

Pour observer ces transitions, les chercheurs ont utilisé la microscopie de fluorescence : l'ion au centre du piège contribue de manière significative au signal, de sorte que le taux de comptage des photons permet de distinguer une configuration de l'autre. Ensuite, ils ont construit la surface d'énergie potentielle, une carte de l'énergie du système en fonction des coordonnées, à l'aide de la méthode de Monte-Carlo : en déplaçant aléatoirement les ions et en ne conservant que les configurations d'énergie minimale, ils ont obtenu le profil d'énergie le long de la coordonnée de réaction. En comparant les populations expérimentales des états avec le calcul, ils ont extrait la température du cristal : 8,8 millikelvins, avec une incertitude de +3,5/−2,6 mK. C'est la première fois que la température d'un cristal ionique est mesurée à partir des populations des états isomères.

Ces travaux montrent qu'un cristal ionique peut servir de modèle précis de l'isomérisation moléculaire. Contrairement aux molécules réelles, où les transitions durent des femtosecondes et sont presque impossibles à observer en temps réel, ici la dynamique est étirée jusqu'à des millisecondes et les dimensions jusqu'à des micromètres. Cela permet d'isoler la contribution des fluctuations thermiques et de l'effet tunnel quantique. La prochaine étape pourrait consister à refroidir le cristal jusqu'à l'état vibrationnel fondamental et à observer l'effet tunnel quantique entre les isomères. De tels systèmes pourraient servir à étalonner la température dans les pièges à ions et à préparer des états initiaux dans les simulateurs quantiques.