Dans les schémas des manuels de chimie, les orbites d'électrons tournant autour du noyau au sein d'un atome semble être des cercles parfaits, similaires à ceux des planètes autour du Soleil.

Ces représentations sont trompeuses, car en vérité, on ne peut pas établir exactement la course d'un électron en sachant en même temps où il se trouve, et où il va.

C'est pourquoi des scientifiques ont plutôt fait une représentation en 3D des zones orbitales où chaque électron est susceptible d'évoluer.

Les physiciens espéraient découvrir une légère asymétrie dans la forme de l'électron, ce qui aurait validé la théorie de la supersymétrie. Mais au terme d'une expérience qui a pris 10 ans, le verdict est cruel : l'électron est désespérément rond.

CONTEXTE : Les différentes théories de la matière s'opposent sur la forme de l'électron. Le modèle standard, la théorie actuelle que les physiciens savent incomplète, prédit que son halo chargé négativement est sphérique. Tandis que la supersymétrie, principale postulante pour le compléter, inventée dans les années 1970, lui donne, elle, une forme légèrement irrégulière. La forme de l'électron est due aux lois de la quantique : elles le décrivent comme un point sans épaisseur entouré d'une nuée de particules virtuelles qui jaillissent sans cesse, formant un halo qui s'étale dans l'espace.

John Doyle, à Harvard, n'y va pas par 4 chemins : "Notre résultat est extrêmement surprenant". Ce résultat, c'est celui obtenu récemment par la collaboration Acme, un petit groupe d'expérimentateurs essentiellement américains, et il tient en quelques mots : l'électron est rond. Il l'est même incroyablement ! Tellement rond que, si cette particule avait la taille du système solaire, sa silhouette définirait une sphère sans défaut jusqu'à l'échelle de l'épaisseur d'un cheveu. Comme si, à 23 siècles de distance, des physiciens étaient enfin parvenus à trouver, au cour de ce monde corruptible qu'est la matière, cette forme idéale qui, selon le savant grec Aristote, ne pouvait exister que dans les cieux.
Et c'est une vraie surprise, car les physiciens s'attendaient à trouver des défauts à l'électron. Ils l'espéraient, même. D'après ce qu'ils savaient de cette particule élémentaire de charge négative qui, avec les neutrons et les protons, compose l'atome, ils l'imaginaient légèrement bosselée. Non parce qu'un principe hérité de la Grèce antique fait de la sphère un idéal hors de portée de la nature ; mais parce que les théories des physiciens le laissaient penser.

UN ENJEU THÉORIOUE MAJEUR : En particulier, la supersymétrie. Cette théorie, qui constitue depuis 40 ans le principal espoir de pouvoir enfin décrire entièrement le monde de l'infiniment petit, est en effet basée sur l'existence de particules supplémentaires qui seraient sensibles à la direction d'ocillation du champ magnétique des électrons. Soumises à son influence, ces particules, dont aucune n'a encore été observée, devraient donc se répartir de manière inhomogène autour de l'électron. Et donc déformer le halo chargé négativement qui le constitue, jusqu'à provoquer une légère asymétrie...
Les physiciens espéraient d'autant plus voir un électron bosselé que le modèle standard, l'actuelle théorie de la matière, assure qu'il est parfaitement rond : "Nous savons que le modèle standard n'est pas une description complète, résume Gerald Gabrielse, à Harvard, membre d'Acme. Or, pour la première fois, la précision de notre dispositif expérimental était telle qu'il s'annonçait compatible avec les prédictions de théories permettant de dépasser ce modèle". La forme de l'électron devenait ainsi un enjeu théorique majeur. Grâce à elle, la théorie de la symétrie pouvait enfin être expérimentalement confirmée. Et justement, au bout de 10 ans, à force d'affiner le dispositif expérimental (voir infographie), les membres d'Acme étaient parvenus à atteindre le niveau de détail où les prédictions standard et supersymétriques divergent. "C'est un exploit aux limites de ce que permettent aujourd'hui les techniques expérimentales, et il a été accompli par des gens très compétents et extrêmement déterminés", insiste Paul Indelicato, du Laboratoire Kastler Brossel, à Paris.
Un exploit qui, en janvier dernier, a produit ce résultat aussi décevant qu'ébouriffant : l'électron a une forme quasi parfaite. S'il présente la moindre asymétrie, ça ne peut être qu'en deçà de 1 pour un milliard de milliards de milliards près. "Dieu décide et nous mesurons", lâche, laconique, Gerald Gabrielse. Plus direct, Filippo Sala, à l'Institut de physique théorique, à Saclay, ajoute : "Les conclusions d'Acme ne sont pas franchement une très bonne nouvelle". Car ce résultat porte un coup sévère à la supersymétrie. "Il est toujours possible d'imaginer des mécanismes pour accommoder les prédictions des théories supersymétriques avec le résultat d'Acme", explique Filippo Sala. "Les aficionados de la supersymétrie peuvent continuer à dormir ou à rêver tranquilles", ajoute Abdelhak Djouadi, au Laboratoire de physique théorique d'Orsay, soulignant que l'espoir de découvrir des particules supersymétriques dans l'accélérateur de particules du Cern (LHC) n'est pas vain. Il n'empêche, "ces ajustements ne seront pas forcément faciles à justifier", prédit Filippo Sala. En clair, l'électron risque de pousser les théoriciens dans leurs retranchements, au prix de contorsions plus ou moins convaincantes.

DES PHYSICIENS AU PIED DU MUR : En attendant, les membres d'Acme continuent à traquer la moindre petite imperfection de sa silhouette. "D'ici 5 ans, nous devrions avoir multiplié par 10 la précision de notre expérience", précise ainsi Dave DeMille, à Yale. Et rien ne s'oppose, à terme, à ce qu'un autre facteur 10 soit même gagné. De quoi enfin mettre au pied du mur toutes les extensions du modèle standard envisagées. Y compris celles qui prédisent des particules si massives qu'il est d'ores et déjà exclu de les matérialiser dans le creuset du LHC. Ce n'est qu'une question de temps. Soit on verra un petit accroc dans la silhouette de l'électron, qui ouvrira bientôt la voie vers les secrets les plus intimes du monde. Soit le nouveau constat d'une perfection absolue sonnera la fin de toutes les hypothèses et renverra les physiciens à l'insondable incomplétude de leur vision de la matière. En attendant, l'électron nous semble parfaitement rond. Hélas.

Pour la première fois, les circonvolulions des électrons ont été mesurées.

À l'aide d'un microscope à effet tunnel, une équipe nippo-franco-allemande a réussi à photographier les orbites d'électrons plongés dans un fort champ magnétique ; à les mesurer avec une précision inférieure au nanomètre... et à vérifier qu'elles étaient en accord avec la théorie. "Jusqu'ici, on avait réussi à voir les atomes, les électrons eux-mêmes, et à quantifier leur énergie cinétique, relate Thierry Champel, qui a participé aux recherches à l'université de Grenoble. Mais le centre de leur orbite bougeait tellement qu'on ne parvenait pas à mesurer leur trajectoire". Pour réussir ce tour de force, les chercheurs ont confiné un gaz d'électrons à la surface d'un solide, formant un échantillon en deux dimensions idéal pour le microscope à effet tunnel. Puis, ils ont développé toute une nouvelle théorie pour désenchevêtrer le mouvement des électrons de celui du centre de l'orbite. Enfin, ils ont pu s'apercevoir que les électrons se cantonnent très précisément aux orbites autorisées par les lois de la mécanique quantique. "C'est tout à fait remarquable, s'exclame Thierry Champel. Une fois de plus, l'accord est parfait avec la théorie mise au point au début du XXè siècle.

Quiconque chercherait à traquer un électron dans un métal serait bien en peine : les électrons sont non seulement des particules indiscernables les unes des autres, mais ils ont tendance à se déplacer en groupe dans les métaux.

Pourtant, c'est bien la traversée solitaire d'un électron dans un tel matériau qu'ont réussi à observer et à maitriser des physiciens de l'Institut Néel (CNRS) à Grenoble.
Pour débusquer le phénomène, les chercheurs ont fabriqué un dispositif expérimental à base de "boîtes quantiques", entre lesquelles un unique électron a littéralement surfé sur une onde sonore. Une première qui pourrait sonnait le début de la téléportation du spin d'un électron et de l'ordinateur quantique.

Pour une fois que la perfection déçoit... Des physiciens de l'Impérial collège à Londres, ont déployé des trésors d'ingéniosité pour mesurer la forme de l'électron.

Seulement, ils ont eu beau scruter ses mouvements à l'aide d'un laser, à l'affût du moindre écart de trajectoire qui pourrait trahir une imperfection de forme, ils n'ont rien trouvé. L'électron file droit : il est parfaitement sphérique, comme le prévoyait le modèle standar. D'où la déception ! "C'est sûr, si nous avions relevé un écart, la nouvelle aurait été incroyable, admet John Huston. Mais ce résultat négatif est tout de même significatif : nous pouvons commencer à invalider certaines extensions du modèle standard". Car ce n'est pas pour le plaisir que les physiciens pinaillent sur la forme de l'électron. Ils espèrent ainsi faire le tri parmi les théories de physique des particules qui se concurrencent pour compléter le modèle standard et, donc, percer les secrets de la matière... Rien de moins ! Cette première expérience, aussi incroyablement précise soit-elle - car, comme le répète John Huston, "si l'électron avait la taille du système solaire, nous détecterions un défaut gros comme un cheveu" - n'était donc qu'un galop d'essai. Et les chercheurs planchent déjà sur un nouveau dispositif. Quatre fois plus précis.

Au vrai, votre question se poserait si la structure de l'atome correspondait à celle qu'avançait en 1911 le découvreur du noyau atomique, Ernest Rutherford.

Le physicien anglais proposait de considérer l'atome comme un système solaire miniature avec le noyau au centre, les électrons en orbite et la force électromagnétique jouant le rôle de la gravité. Ici, les électrons seraient maintenus en orbite circulaire grâce à l'équilibre entre force centrifuge, qui ténd à les éloigner du noyau, et force électromagnétique, qui les attire vers le noyau. Mais dans ce modèle, rien n'interdit à l'électron de ralentir au point d'entrer en collision avec l'un des protons du noyau. De la même façon que si la Terre ralentit, elle finira par entrer en collision avec le Soleil.

NIVEAU D'ÉNERGIE MINIMUM : Sauf qu'il y a un souci : s'il en était ainsi, les atomes n'étant pas stables, nous ne serions pas là pour en discuter ! Le modèle planétaire de Rutherford n'est donc pas suffisant pour rendre compte de la réalité de l'atome. Relevant d'une conception classique de la physique, il ne tient pas compte des phénomènes quantiques, comme le fait que l'énergie, la vitesse et la trajectoire d'un électron dans un atome sont des paramètres quantifiés qui ne peuvent pas prendre n'importe quelle valeur. Il existe ainsi un niveau d'énergie minimum, qualifié de fondamental, en deçà duquel l'électron ne peut descendre. Ce niveau est associé à une vitesse précise et à une orbite bien définie qui déterminent la trajectoire la plus proche du noyau que l'électron peut espérer suivre - et ce n'est pas une trajectoire de collision.
C'est Niels Bohr, physicien danois, qui introduisit, en 1913, la quantification des niveaux d'énergie dans le modèle planétaire de l'atome. Reste que, même ainsi amendé, ce modèle n'est pas totalement satisfaisant. Car parler de trajectoire pour rendre compte des déplacements de l'électron supposerait que l'on sache où il se trouve à chaque instant. Or, on ne peut connaître que la probabilité qu'il occupe telle ou telle région de l'espace autour du noyau : ce sont les orbitales. Ainsi, à chaque niveau d'énergie correspond une orbitale de forme et d'extension différentes. Celle du niveau fondamental est une sphère centrée sur le noyau. Lorsqu'il est dans ce niveau d'énergie minimale, l'électron peut être n'importe où à l'intérieur de cette sphère - y compris dans le noyau !

Paris, le 1er mars. Immortaliser la présence des électrons externes d'une molécule de diazote (N₂) : c'est l'exploit que viennent de réaliser des physiciens du CEA.

Comme un stroboscope fige la position d'un danseur, l'idée était de flasher les électrons autour de la molécule. Problème : ils sont si rapides que le flash decait être de l'ordre de l'attoseconde (un milliardième de milliardième de seconde) ! Les chercheurs ont donc utiliser un rayon laser pour arracher un électron à la molécule. Son retour s'effectue en un temps de cet ordre, et s'accompagne d'une bouffée de rayons X, dont les carctères renseignent sur la position la plus probable, juste avant le flash, des électrons externes (en orange sur l'image, les 2 points noirs étant les atomes d'azote). Cette technique devrait permettre d'observer en direct les échanges d'électrons lors de réactions chimiques.

Des physiciens français sont parvenus à photographier la danse ultrarapide d'un électron autour du noyau. Plus exactement, ils ont réussi à déterminer quelle est sa probabilité de présence autour d'une molécule gazeuse d'azote.

L'électron étant une onde, il forme comme un nuage autour de son centre d'attraction. Pour capter l'instantané, il a donc fallu disposer d'un dispositif ultrarapide et précis au milliard de milliardièmes de seconde près et à des millionièmes de mètre près. Et s'appuyer sur l'hypothèse révolutionnaire faite en 2004 par une équipe canadienne : l'électron peut jouer à la fois le rôle de cible et de sonde.

Prochain défi : photographier les premiers moments d'une réaction chimique, lorsque les électrons commencent à réagir.