Des carrefours où les routes divergent au lieu de se croiser

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Sur une carte, deux routes convergent en un même point, mais le conducteur sait qu'il n'y a pas de carrefour : l'une des routes passe par un pont au-dessus de l'autre. C'est à peu près ainsi que se comportent les niveaux d'énergie d'un atome de Rydberg dans un champ électrique variable. Lorsque le champ s'intensifie, les niveaux se rapprochent, mais au lieu de fusionner, ils se repoussent et divergent, laissant un espace entre eux. Les physiciens appellent ce comportement une intersection évitée, et dans les spectres de l'atome de césium, cela apparaît comme un embranchement caractéristique.

Pour comprendre ce qui se passe à ces carrefours, les chercheurs ont placé des paires de césium dans une petite cuve en verre et l'ont irradiée avec des lasers et des ondes radio. Un atome de Rydberg, dont un électron se trouve sur une orbite très élevée, est extrêmement sensible aux champs externes. Le champ variable fait vibrer et diviser les niveaux d'énergie, comme une corde que l'on pince avec plus ou moins de force. En conséquence, le spectre détecté se remplit de nombreuses raies, parmi lesquelles apparaissent ces fameux embranchements-carrefours.

La question principale n'était pas de savoir où se trouvent ces embranchements, mais quelles routes invisibles relient les niveaux entre eux. Il s'avère que le chemin direct est souvent interdit : l'électron ne peut pas passer d'une orbite à l'autre d'un seul bond, il doit effectuer plusieurs étapes intermédiaires. Ces étapes ressemblent à des correspondances dans le métro : pour aller d'une ligne à l'autre, il faut parfois passer par une troisième station. Dans un cas, il a fallu trois correspondances pour croiser les niveaux, dans un autre seulement deux, et c'est de cela que dépend la largeur de l'espace au carrefour.

Les chercheurs ont comparé les spectres expérimentaux avec des calculs prenant en compte tous les chemins possibles jusqu'à cinq correspondances. L'accord était excellent, mais pas complet : certaines raies faibles apparaissaient dans l'expérience là où le calcul ne les prévoyait pas. Cela pourrait être dû à des champs électriques parasites qui déforment légèrement l'image. Cette sensibilité aux perturbations n'est pas un défaut, mais un indice : si l'on apprend à les prendre en compte, le capteur deviendra encore plus précis.

Les carrefours où les routes divergent au lieu de se croiser se sont révélés être des repères pratiques pour l'étalonnage. Si l'on sait à quelle intensité de champ un embranchement particulier apparaît, on peut mesurer des champs inconnus simplement en observant le spectre. L'atome de Rydberg devient une règle dont les graduations sont tracées par la nature elle-même. Et plus nous comprenons comment ces graduations sont faites, plus nous pourrons mesurer précisément les champs électriques dans des conditions très diverses, du laboratoire à l'espace ouvert.