The coexistence of possible magnetic and chiral rotation in $^{129}\mathrm{Cs}$ and $^{131}\mathrm{La}$: a microscopic investigation

Une étude microscopique basée sur la théorie fonctionnelle de la densité covariante à trois dimensions a révélé la coexistence de rotations magnétiques et chirales dans les noyaux $^{129}\mathrm{Cs}$ et $^{131}\mathrm{La}$, établissant un nouveau type de coexistence de forme et décrivant une transition distinctive des modes de rotation au fur et à mesure de l'évolution de la fréquence de rotation.

L'essentiel

🌌 La Danse des Atomes : Quand le Magnétisme et la Chiralité s'embrassent

Imaginez que l'intérieur d'un atome (le noyau) n'est pas une boule solide et statique, mais une troupe de danseurs en mouvement perpétuel. Ces danseurs sont des protons et des neutrons. Pendant des décennies, les physiciens savaient que ces danseurs pouvaient tourner de deux façons principales :

1. La "Danse Électrique" (Rotation Classique) : C'est comme un patineur qui tourne sur lui-même en gardant les bras bien serrés. C'est le mouvement habituel, prévisible et très stable.
2. La "Danse Magnétique" : C'est plus étrange. Imaginez deux danseurs qui se tiennent par la main, l'un tournant dans un sens, l'autre dans l'autre, créant un courant électrique qui agit comme un aimant. C'est ce qu'on appelle la rotation magnétique.
3. La "Danse Chirale" (La Danse de l'Envers) : C'est le plus bizarre. Imaginez un danseur qui tourne, mais dont l'ombre projetée sur le sol ne correspond pas à son mouvement réel, comme si le monde était un miroir déformé. C'est la chiralité (comme vos mains gauche et droite qui sont identiques mais ne peuvent pas se superposer).

🔍 Le Mystère de 129Cs et 131La

Les chercheurs de cette étude (une équipe de Chine) se sont penchés sur deux atomes particuliers : le Césium-129 et le Lanthane-131.

Leur question était : "Est-il possible que ces atomes fassent les deux danses en même temps ?"

Jusqu'à présent, on pensait que ces deux types de rotations étaient des modes de vie séparés, comme un athlète qui ne peut être à la fois un nageur de haut niveau et un grimpeur de montagne en même temps. Mais ici, les scientifiques ont découvert quelque chose de fascinant : la coexistence.

🧩 L'Analogie du Lego et du Miroir

Pour comprendre comment ils ont fait cette découverte, imaginez que vous construisez une tour avec des blocs Lego (les protons et les neutrons).

• La configuration : Dans ces atomes, les blocs sont arrangés d'une manière très spécifique (un bloc proton spécial et deux blocs neutrons "trous"). C'est comme si vous aviez une tour avec un seul bloc manquant d'un côté et un bloc spécial au sommet.
• L'expérience virtuelle : Les chercheurs ont utilisé un super-ordinateur pour simuler comment cette tour Lego tourne à différentes vitesses. Ils ont utilisé une méthode très précise appelée "Théorie de la fonctionnelle de densité covariante" (un nom compliqué pour dire : "une règle mathématique très stricte qui respecte les lois de la relativité").

🎭 Ce qu'ils ont découvert

En faisant tourner leur simulation, ils ont vu trois choses incroyables :

1. Le même groupe, deux styles : Avec exactement le même arrangement de blocs (les mêmes protons et neutrons), l'atome peut soit faire la danse magnétique, soit la danse chirale. C'est comme si le même groupe de danseurs pouvait changer de style de musique instantanément sans changer de tenue !
2. La forme changeante :
   • Pour la danse magnétique, l'atome s'aplatit un peu et tourne d'une manière très spécifique (comme un disque qui penche).
   • Pour la danse chirale, l'atome se déforme différemment, créant une forme "tordue" qui permet à la chiralité d'apparaître.
3. Le passage magique : Le plus beau, c'est qu'ils ont vu comment l'atome passe d'un style à l'autre.
   • Au début (vitesse lente), il tourne simplement sur son axe principal.
   • Puis, il commence à osciller (comme un danseur qui perd l'équilibre).
   • Enfin, à une vitesse critique, il bascule dans la chiralité statique : il se fige dans une position "tordue" et tourne de manière asymétrique.

🌟 Pourquoi est-ce important ?

C'est comme découvrir qu'un seul instrument de musique peut jouer deux mélodies totalement différentes (un jazz et une symphonie) en changeant simplement la vitesse à laquelle on le fait vibrer.

Cette étude prouve que la matière à l'échelle atomique est beaucoup plus flexible et surprenante que nous le pensions. Elle montre que l'aimantisme et la chiralité ne sont pas des mondes séparés, mais qu'ils peuvent vivre ensemble dans le même noyau atomique, guidés par la vitesse de rotation.

En résumé :
Les scientifiques ont utilisé un ordinateur puissant pour simuler la danse de deux atomes spéciaux. Ils ont découvert que ces atomes peuvent porter deux "masques" différents (magnétique et chiral) en même temps, selon la vitesse à laquelle ils tournent. C'est une nouvelle preuve que l'univers microscopique est rempli de surprises et de formes de mouvement que nous n'avions jamais imaginées auparavant.

Résumé technique

Titre de l'étude

Coexistence de rotations magnétiques et chirales possibles dans les noyaux 129Cs et 131La : une investigation microscopique.

1. Problématique et Contexte

La physique des structures nucléaires s'intéresse depuis des décennies aux phénomènes de rotation collective. Deux modes de rotation exotiques ont été identifiés :

• La rotation magnétique : Découverte dans les années 1990, elle repose sur un mécanisme de cisaillement (shear mechanism) où les moments angulaires des protons et des neutrons s'alignent progressivement, générant des transitions M1 fortes et des transitions E2 faibles.
• La rotation chirale : Proposée en 1997, elle se manifeste dans des noyaux à déformation triaxiale par l'existence de doublets de bandes quasi-dégénérées, résultant de l'orientation non coplanaire des moments angulaires des protons, des neutrons et du noyau résiduel.

Bien que ces deux modes soient souvent étudiés séparément, leur coexistence au sein d'un même noyau, basé sur des configurations de quasi-particules identiques, reste un sujet d'investigation fascinant et complexe. L'article se concentre sur les noyaux 129Cs et 131La (isotones N=74), où des bandes candidates pour la rotation magnétique (bande B8 pour 129Cs, bande 13 pour 131La) et des signes de chiralité ont été suggérés expérimentalement, mais dont les mécanismes microscopiques nécessitent une clarification théorique approfondie.

2. Méthodologie

Les auteurs ont utilisé la Théorie de la Fonctionnelle de Densité Covariante avec Cranking Tilté en 3D (3DTAC-CDFT). Cette approche permet une description microscopique et auto-cohérente des noyaux en rotation.

• Cadre théorique : L'équation de Dirac est résolue dans un cadre de référence intrinsèque tournant avec une vitesse angulaire constante $\omega$. Le formalisme inclut la symétrie de Lorentz et utilise le fonctionnel de densité à couplage ponctuel PC-PK1.
• Configurations étudiées : L'étude examine deux types de configurations de valence pour chaque noyau :
  1. Configuration de rotation magnétique : Basée sur $\pi h_{11/2} \otimes \nu h^{-2}_{11/2}$ (un proton dans $h_{11/2}$ et deux trous dans $h_{11/2}$).
  2. Configuration de rotation chirale potentielle : Basée sur une occupation différente des neutrons, incluant des orbitales $s_{1/2}/d_{3/2}$ au-dessus de la fermeture de coquille $Z=50$, tout en conservant la même configuration de quasi-particules non appariées ($\pi h_{11/2} \otimes \nu h^{-2}_{11/2}$).
• Calculs effectués :
  • Évolution des paramètres de déformation ($\beta, \gamma$) en fonction de la fréquence de rotation.
  • Spectres d'énergie et relation spin-fréquence de rotation.
  • Probabilités de transition réduites $B(M1)$ et $B(E2)$, ainsi que leurs rapports.
  • Analyse des mécanismes de cisaillement et des angles d'orientation ($\theta, \phi$) du moment angulaire total.
  • Décomposition des contributions des protons et des neutrons aux axes court, moyen et long.

3. Résultats Clés

A. Coexistence de formes et de modes de rotation

L'étude révèle une nouvelle forme de coexistence de formes : le même noyau peut présenter simultanément des caractéristiques de rotation magnétique et de rotation chirale, selon la configuration spécifique des orbitales occupées par les neutrons.

• Rotation Magnétique : Pour les configurations correspondant aux bandes observées expérimentalement, les calculs prédisent des déformations prolate/triaxiales avec $\beta \approx 0.23-0.25$ et $\gamma \approx 41^\circ-42^\circ$.
• Rotation Chirale : Pour les configurations alternatives (impliquant des neutrons dans $s_{1/2}/d_{3/2}$), les paramètres de déformation sont légèrement différents ($\beta \approx 0.20$, $\gamma \approx 27^\circ-29^\circ$), favorisant une géométrie chirale.

B. Validation des bandes magnétiques (129Cs et 131La)

Les résultats théoriques pour les bandes B8 (129Cs) et 13 (131La) sont en excellent accord avec les données expérimentales :

• Spectres d'énergie : Les énergies d'excitation calculées reproduisent fidèlement les données expérimentales en fonction du spin.
• Transitions : Les calculs montrent des valeurs $B(M1)$ élevées à bas spin qui diminuent progressivement (ou restent stables selon la configuration), accompagnées de transitions $B(E2)$ faibles. Le rapport $B(M1)/B(E2)$ est bien reproduit.
• Mécanisme de cisaillement : L'analyse vectorielle confirme le mécanisme de cisaillement : les protons (particules) s'alignent préférentiellement sur l'axe court, tandis que les trous de neutrons s'alignent sur l'axe long. L'augmentation de la fréquence de rotation provoque un alignement progressif de ces vecteurs, augmentant le moment angulaire total sans changer sa direction globale.

C. Preuves de rotation chirale et transition de mode

Pour les configurations candidates à la chiralité, l'évolution des angles d'orientation révèle une transition dynamique :

• Transition de rotation : Le système évolue d'une rotation autour de l'axe principal (à basse fréquence) vers une rotation planaire, puis enfin vers une rotation aplanaire (chirale) à haute fréquence.
• Fréquence critique : Une fréquence critique ($\hbar\omega_{crit}$) est identifiée (environ 0.33-0.37 MeV), marquant le passage d'une vibration chirale dynamique à une chiralité statique. Cela se manifeste par l'apparition d'un angle azimutal $\phi$ non nul et la génération d'un moment angulaire sur l'axe moyen ($m$).
• Contributions angulaires : L'analyse montre que le moment angulaire sur l'axe moyen provient des effets collectifs des neutrons dans les orbitales $h_{11/2}$ et $(sd)$, condition nécessaire à la formation de la géométrie chirale.

4. Contributions et Signification

• Preuve de coexistence : Cet article établit de manière convaincante que des modes de rotation magnétique et chirale peuvent coexister dans les mêmes noyaux (129Cs et 131La) basés sur des configurations de quasi-particules identiques, mais avec des occupations orbitales différentes.
• Validation du modèle 3DTAC-CDFT : L'étude démontre la capacité de la théorie CDFT en 3D à décrire avec précision des phénomènes rotationnels complexes sans paramètres ajustables, confirmant sa validité pour les noyaux de la région de masse $A \approx 130$.
• Compréhension microscopique : L'analyse détaillée des contributions des protons et des neutrons aux différents axes de rotation éclaire les mécanismes fondamentaux régissant la transition entre rotation planaire et rotation chirale.
• Perspectives expérimentales : Les résultats suggèrent la possibilité de l'existence de doublets de bandes chirales (M$\chi$D) dans le 129Cs, invitant à de futures vérifications expérimentales pour confirmer ces prédictions théoriques.

En conclusion, ce travail fournit une compréhension microscopique approfondie de la complexité des modes de rotation nucléaire, reliant la structure des orbitales individuelles aux propriétés collectives macroscopiques des noyaux déformés.