« De tels tests ne peuvent pas être réalisés sur Terre »

Les expériences avec des gaz quantiques ultrafroids promettent la plus haute précision dans des types de mesures très différents : à l’avenir, il sera possible de tester les principes fondamentaux de la théorie de la relativité d’Albert Einstein, tout comme le développement de capteurs plus efficaces pour la géodésie. Aujourd’hui, pour la première fois, des chercheurs ont produit un mélange de deux gaz quantiques différents à bord de la Station spatiale internationale (ISS). Dans une interview accordée à World of Physics, Naceur Gaaloul de l’Université de Hanovre revient sur ce succès et sur les nouvelles opportunités qui en découlent.

Monde de la physique : Quelle expérience avez-vous menée sur la Station spatiale internationale ?

Naceur Gaaloul : Tout d’abord, je dois dire que je suis théoricien et que je participe à la conception de diverses expériences. Des collègues de physique expérimentale sont responsables de la structure et de la mise en œuvre. Lors de l’évaluation, nous, théoriciens, intervenons à nouveau en jeu. L’expérience sur l’ISS visait à créer un mélange de deux gaz quantiques ultra-froids différents qui occupent un état d’agrégation spécial, appelé condensat de Bose-Einstein. Un tel mélange de deux types d’atomes avait déjà réussi sur Terre, mais jamais auparavant dans l’espace.

Pourquoi est-ce si difficile dans l’espace ?

De telles expériences sont assez complexes. C’est pourquoi notre équipe était également composée de nombreux chercheurs d’instituts américains et allemands. Vous avez besoin, entre autres, de certains lasers, d’un système de vide et de refroidissement et bien plus encore. Le « Cold Atom Laboratory » fonctionne sur l’ISS depuis quelques années et est précisément adapté à de telles expériences. Nous avons démontré pour la première fois le mélange de deux gaz quantiques pour former un condensat de Bose-Einstein.

Comment un tel condensat de Bose-Einstein est-il créé ?

Nous avons refroidi très profondément les atomes de potassium et de rubidium, à des fractions de degré au-dessus du zéro absolu. À des températures aussi basses, un étrange effet physique quantique se produit, prédit théoriquement par Satyendranath Bose et Albert Einstein il y a cent ans : puisque les atomes ont à la fois des propriétés d’onde et de particule, ils ont également une longueur d’onde. Plus les particules sont froides, plus cette longueur d’onde est longue. À très basse température, ces ondes atomiques se chevauchent, de sorte que les atomes entrent dans un état quantique commun et se comportent comme un grand collectif. Cet état particulier de la matière est appelé condensat de Bose-Einstein. Technologiquement, c’est également très intéressant : comme les atomes sont tous dans le même état et peuvent rendre visibles de minuscules influences extérieures, ces condensats sont idéaux comme capteurs quantiques très sensibles.

Pourquoi avez-vous besoin de condensats provenant de deux types d’atomes différents ?

À l’avenir, nous souhaitons utiliser de tels mélanges pour tester l’un des principes fondamentaux de la théorie de la relativité d’Einstein : le principe d’équivalence. Il dit que la masse lourde et la masse inerte sont en fin de compte une seule et même chose. Entre autres choses, cela signifie que toute la matière accélère au même rythme en chute libre. Si le principe n’est pas respecté, on devrait pouvoir observer au moins un léger écart. On observerait alors, par exemple, que différents types de matière réagissent à la gravité à des degrés différents. Des tests antérieurs ont confirmé le principe d’équivalence avec un très haut degré de précision. Mais les condensats de Bose-Einstein sont si sensibles que nous pourrions augmenter la précision du test du principe d’équivalence d’environ deux ordres de grandeur.

Comment devrait se dérouler cette expérience, c’est-à-dire le test du principe d’équivalence ?

Nous souhaitons examiner de très près si les deux types d’atomes de poids différents présents dans le condensat de Bose-Einstein se comportent réellement exactement de la même manière en apesanteur. De tels tests ne peuvent pas être effectués sur Terre car la gravité sépare les deux types d’atomes. Comme nous l’avons vu expérimentalement, les atomes de potassium et de rubidium se repoussent. Ainsi se forment des limites de phases, comme celles entre le pétrole et l’eau. Nous devons analyser plus en détail ce que cela signifie exactement pour le futur test du principe d’équivalence ou pour la conception de l’expérience.

Quelle précision serait obtenue avec cela ?

Les tests terrestres du principe d’équivalence ont atteint une précision de douze décimales. C’est très bien. Il existe cependant diverses théories qui vont au-delà de la théorie de la relativité et violent au moins très légèrement ce principe. Pour vérifier cela, vous devez tester plus attentivement. Sur Terre, aucune amélioration significative ne peut plus être obtenue en raison des vibrations sismiques inévitables, de la gravité et d’autres effets. Une expérience récemment achevée sur le satellite MICROSCOPE a fourni le meilleur test – avec une précision de 15 décimales. Notre objectif à l’avenir est de tester le principe d’équivalence jusqu’à probablement 17 décimales avec une mission satellite.

Les expériences avec les condensats de Bose-Einstein à bord des satellites peuvent-elles également être utilisées à d’autres fins ?

La précision de mesure extrêmement élevée possible grâce à de telles mesures sera notamment utilisée à l’avenir en géodésie. Jusqu’à présent, le champ de gravité terrestre a été mesuré à l’aide de duos de satellites tels que « Grace Follow-On ». Ce sont deux satellites qui survolent la Terre en succession rapide. La distance entre les satellites change à mesure que l’un des satellites survole une zone de la Terre ayant une densité plus ou moins élevée. Cela vous permet, entre autres choses, de voir combien d’eau souterraine une région a perdue lors d’une sécheresse. Les capteurs quantiques dotés de condensats de Bose-Einstein devraient fournir à l’avenir des services précieux dans de telles missions car ils sont plus efficaces que les techniques de mesure conventionnelles.