Des scientifiques de l’Institute of Science and Technology Austria ont développé une technique utilisant des faisceaux laser croisés pour piéger et charger des particules d’aérosol individuelles, en observant leurs changements électriques en temps réel. Cette méthode, détaillée dans Physical Review Letters, imite les processus à l’intérieur des nuages d’orage et pourrait révéler comment la foudre se déclenche. Les particules luminescentes révèlent la perte d’électrons et des sursauts de charge soudains via un processus à deux photons.
Des chercheurs dirigés par l’étudiante en doctorat Andrea Stöllner et l’assistant-professeur Scott Waitukaitis à l’ISTA ont créé un montage de pinces optiques avec deux faisceaux laser alignés avec précision. Ces faisceaux convergent pour maintenir une sphère de silice transparente unique, un modèle pour les cristaux de glace des nuages, dans un piège stable au sein d’un conteneur scellé. Le système, construit en près de quatre ans, maintient désormais les particules pendant des semaines, une amélioration considérable par rapport aux captures initiales de trois minutes il y a deux ans.
Les lasers chargent les particules initialement neutres via un processus à deux photons, où l’absorption simultanée de deux photons éjecte un électron, conférant une charge positive. À mesure que l’exposition se poursuit, la lueur de la particule indique un chargement progressif, permettant un contrôle précis en ajustant la puissance du laser. Stöllner a noté : « Nous pouvons désormais observer précisément l’évolution d’une particule d’aérosol alors qu’elle se charge de neutre à hautement chargée et ajuster la puissance du laser pour contrôler le rythme. »
Inattendu, les particules hautement chargées libèrent leur charge par à-coups soudains, suggérant des décharges spontanées similaires à celles des nuages d’orage. Les orages se caractérisent par des cristaux de glace qui se heurtent et échangent des charges, entraînant un déséquilibre électrique et la foudre. Les théories actuelles débattent de savoir si ce sont les cristaux de glace ou les rayons cosmiques qui fournissent l’étincelle initiale, mais les champs électriques des nuages semblent insuffisants à eux seuls. Stöllner a expliqué : « Notre nouveau montage nous permet d’explorer la théorie des cristaux de glace en examinant de près la dynamique de charge d’une particule au fil du temps. »
Bien que les particules de laboratoire soient plus petites que les cristaux de glace naturels, l’équipe espère que ces observations éclaireront l’électrification atmosphérique à plus grande échelle. Stöllner s’est souvenue de son premier succès : « La première fois que j’ai piégé une particule, j’étais aux anges. » La table anti-vibrations assure la précision, protégeant les faisceaux laser verts des perturbations.
Ce travail, coécrit avec Isaac Lenton et d’autres, paraît dans Physical Review Letters (2025 ; 135 (21)). Il fait progresser la compréhension du rôle des particules de nuages dans les intempéries.