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Une expérience de pensée d’Einstein-Bohr réalisée à l’échelle moléculaire
Pour la première fois, des équipes française, suédoise et japonaise ont réussi à réaliser une expérience de
photoionisaon illustrant une expérience de pensée imaginée par Albert Einstein et Niels Bohr lors de leurs
âpres discussions sur la nature du monde qui nous entoure, et en parculier sur la double nature des par-
cules élémentaires, ondes et parcules à la fois. Déant la compréhension de la physique quanque, cee
expérience originale s’inscrit dans un des plus riches débats de l’histoire des Sciences, ayant déjà conduit à
plusieurs prix Nobel, dont celui décerné en 2012 à Serge Haroche. Les résultats sont publiés en ligne dans la
revue Nature Photonics le 1er Décembre 2014.
La naissance de la mécanique quanque au début du XXe siècle a bouleversé la vision des scienques sur le monde
qui les entourait. Cee révoluon a engendré des discussions scienques et philosophiques passionnées entre eux,
discussions toujours vives aujourd’hui. L’une des plus importantes, portant sur le principe de complémentarité (la
dualité onde-corpuscule des objets quanques), a impliqué deux scienques de renom: Albert Einstein et Niels Bohr.
Einstein, aux premiers instants de la mécanique quanque, a déé le principe de complémentarité en suggérant une
expérience de pensée avec un disposif à double fente doté d’une fente macroscopique mobile. La célèbre expérience
des fentes d’Young illustre la nature ondulatoire de la lumière, avec un phénomène d’interférence observable sur un
écran placé derrière deux fentes éclairées par une source lumineuse. Une expérience de pensée est une expérience
idéale, imaginée pour tester des hypothèses et théories et évaluer leurs conséquences. Cependant il peut être impos-
sible de réaliser physiquement une telle expérience. Dans leurs discussions animées, cee expérience conceptuelle
a évolué jusqu’à devenir la célèbre « expérience de pensée à double fente mobile d’Einstein-Bohr », dans laquelle le
transfert de quanté de mouvement entre une parcule (un photon) et une fente mobile permet d’idener la fente
par laquelle le photon est passé avant d’aeindre l’écran, éliminant ainsi le phénomène d’interférences. Malheureuse-
ment, le poids d’une fente macroscopique massive rend une telle mesure impossible.
80 ans plus tard, des équipes française (ligne de lumière PLEIADES au Synchrotron SOLEIL) et suédoise (Royal Instute
of Technology), avec la parcipaon d’un chercheur japonais (Tohoku University), ont réalisé cee expérience de
pensée au niveau moléculaire. Ils ont remplacé la double fente par une molécule de dioxygène, dans laquelle chaque
atome joue le rôle d’une fente. Dans l’expérience, la molécule neutre est excitée à l’aide de rayons X mous issus du
rayonnement synchrotron, vers un état électronique instable où la molécule se dissocie en deux atomes qui s’éloignent
rapidement l’un de l’autre. La relaxaon du système se traduit par l’émission d’un électron rapide (Auger). Grace à
un disposif extrêmement performant de détecon en coïncidence des électrons et des ions, les scienques ont
été capables de mesurer directement la quanté de mouvement transférée par l’électron Auger émis à la molécule
ou l’atome ionisé, jouant ici le rôle de fentes microscopiques ultra légères. Deux cas de gure se présentent. Dans le
26 Novembre 2014
www.synchrotron-soleil.fr
Figure 1 : Représentaon schémaque de l’expérience de
pensée à double fente née du débat entre Einstein et Bohr,
avec des fentes massives couplées (a) et découplées (c). De
même, la matérialisaon schémaque de cee expérience de
pensée basée sur le processus de photoionisaon moléculaire
où les deux fentes sont remplacées par deux atomes d’oxy-
gènes couplés (b) et découplés (d).
SOUS EMBARGO JUSQU’AU 1ER DECEMBRE 2014
16:00 HEURE DE LONDRES / 17:00 CET

premier, l’électron est éjecté immédiatement après excitaon, avant que la molécule n’ait le temps de se dissocier,
c’est à dire lorsque la liaison entre les deux atomes d’oxygène est encore forte. La quanté de mouvement transférée
sera donc idenque pour les deux atomes (les deux fentes sont liées), rendant impossible la déterminaon de l’origine
atomique de l’électron éjecté. Des franges d’interférence sont ainsi observées. Dans le second cas, l’électron Auger est
éjecté plus tard, quand la molécule a entamé sa dissociaon. L’électron transfère donc la quanté de mouvement à
un seul des deux atomes d’oxygène (voir gures). Ce transfert asymétrique discrimine le « chemin » (de quelle fente
l’électron est issu), et vient ainsi « détruire » le phénomène d’interférence.
Au nal, les scienques ont réussi pour la première fois à matérialiser l’expérience de pensée à fente mobile proposée
inialement 80 ans plus tôt lors d’un débat entre Einstein et Bohr, à l’aide de la photoémission X de la molécule d’oxy-
gène. Bien que leurs résultats soient en accord avec la vision de Niels Bohr, ils montrent également qu’Einstein avait
raison lorsqu’il disait : « L’imaginaon est plus importante que la connaissance. La connaissance est limitée alors que
l’imaginaon englobe le monde ener [...] ».
Référence de la publicaon
«Einstein–Bohr recoiling double-slit gedanken experiment performed at the molecular level»
Xiao-Jing Liu, QuanMiao, Faris Gel’mukhanov, Minna Patanen, Oksana Travnikova, Christophe Nicolas, Hans Ågren,
Kiyoshi Ueda and Catalin Miron.
Nature Photonics 2014, X, Published online, 1st Déc. 2014
DOI: 10.1038/NPHOTON.2014.289
Contacts
Synchrotron SOLEIL, France - Catalin MIRON : [e-mail], [phone]
KTH, Suède - Faris GEL’MUKHANOV : [email protected]
Tohoku University, Japon - Kiyoshi UEDA : [e-mail]
Ce travail a bénécié d’une aide Invesssements d’Avenir du LabEx PALM (ANR-10-LABX-0039-PALM)
Qu’est-ce que SOLEIL ?
SOLEIL, source naonale de rayonnement synchrotron, est un centre de recherche implanté sur le Plateau de Saclay à Saint Aubin
(Essonne). Plus concrètement, c’est un accélérateur de parcules (des électrons) qui produit le rayonnement synchrotron, lu-
mière extrêmement puissante (10000 fois plus intense que la lumière solaire) qui permet d’explorer la maère inerte ou vivante.
En recherche fondamentale, SOLEIL couvre des besoins en physique, chimie et en sciences des matériaux, en sciences du vivant,
en sciences de la terre et de l’atmosphère. Il ore l’ulisaon d’une large gamme de méthodes spectroscopiques depuis l’infra-
rouge jusqu’aux rayons X, et de méthodes structurales en diracon et diusion X. En recherche appliquée, SOLEIL trouve des
applicaons dans des domaines très diérents tels que la pharmacie, le médical, la chimie et la pétrochimie, l’environnement, le
nucléaire, l’industrie automobile, mais aussi les nanotechnologies, la micromécanique et la microélectronique, etc.
Figure 2 : Résultats expérimentaux (à gauche) et simulaon théo-
rique (à droite) de la matérialisaon au niveau moléculaire de
l’expérience de pensée à double fente mobile. Un phénomène
d’interférence similaire à celui observé avec la célèbre expérience
d’opque des fentes d’Young est visible lorsque l’origine (la fente)
de l’électron émis n’est pas idenable, alors que ce phénomène
disparaît totalement lorsque le transfert de quanté de mouve-
ment asymétrique (déplacement Doppler) entre l’électron émis
et l’ion d’oxygène résiduel permet l’idencaon de l’origine de
l’émission électronique.