Des scientifiques ont produit une forme rare de matière quantique connue sous le nom de condensat de Bose-Einstein (BEC) en utilisant des molécules au lieu d’atomes.
Fabriqués à partir de molécules de sodium-césium réfrigérées, ces BEC sont aussi froids que cinq nanoKelvin, soit environ -459,66 °F, et restent stables pendant deux secondes remarquables.
« Ces BEC moléculaires ouvrent de nouveaux domaines de recherche, allant de la compréhension de la physique véritablement fondamentale à l’avancement de puissantes simulations quantiques », a noté Université de Columbia physicien Sébastien Will« Nous avons franchi une étape passionnante, mais ce n’est que le début. »
Comprendre le condensat de Bose-Einstein (BEC)
Un condensat de Bose-Einstein (BEC) représente un état de la matière qui se produit lorsqu’un ensemble de bosons, des particules qui suivent les statistiques de Bose-Einstein, sont refroidis à des températures très proches du zéro absolu.
Dans de telles conditions extrêmes, une fraction significative des bosons occupe l’état quantique le plus bas, ce qui entraîne des phénomènes quantiques macroscopiques.
Cela signifie qu’ils se comportent comme une seule entité quantique, s’« effondrant » effectivement en une seule fonction d’onde qui peut être facilement décrite à l’aide des principes de la mécanique quantique.
L’aspect fascinant des BEC provient de leurs propriétés superfluides : ils présentent une viscosité nulle lorsqu’ils s’écoulent, ce qui leur permet de se déplacer sans dissiper d’énergie.
Cette propriété unique permet aux BEC de simuler d’autres systèmes quantiques et d’explorer de nouveaux domaines de la physique.
Par exemple, l’étude des BEC peut fournir des informations sur la cohérence quantique, les transitions de phase et les interactions à plusieurs corps dans les gaz quantiques.
La création de BEC moléculaires, comme ceux impliquant des molécules sodium-césium, étend encore plus cette exploration, conduisant potentiellement à des percées dans l’informatique quantique et les mesures de précision.
L’odyssée du BEC ultrafroid
Le voyage des BEC est long et sinueux, remontant à un siècle avec les travaux des physiciens Satyendra Nath Bose et Albert Einstein.
Ils ont prophétisé qu’un amas de particules refroidi au bord de l’arrêt fusionnerait en une macro-entité singulière, régie par les préceptes de la mécanique quantique. Les premiers véritables BEC atomiques sont apparus en 1995, 70 ans après les prédictions théoriques initiales.
Les BEC atomiques ont toujours été relativement simples : des objets ronds avec des interactions minimales basées sur la polarité. Mais la communauté scientifique en est venue à réclamer une version plus complexe des BEC compilés de molécules, mais en vain.
Finalement, en 2008, la première percée a eu lieu lorsqu’un duo de physiciens a refroidi un gaz de molécules de potassium-rubidium à environ 350 nanoKelvin. La quête pour atteindre une température encore plus basse pour franchir le seuil du BEC s’est poursuivie.
Micro-ondes : la solution réfrigérante
En 2023, la première étape vers cet objectif a été franchie lorsque le groupe de recherche a créé la molécule gazeuse sodium-césium ultra-froide souhaitée en utilisant un mélange de refroidissement laser et de manipulations magnétiques. Pour diminuer encore la température, ils ont décidé d’introduire des micro-ondes.
Les micro-ondes peuvent construire de petits boucliers autour de chaque molécule, les empêchant d’entrer en collision et entraînant une baisse de la température globale de l’échantillon.
En route vers l’ère du contrôle quantique
La réussite du groupe dans la création d’un BEC moléculaire représente une réalisation spectaculaire dans le domaine de la technologie de contrôle quantique.
Ce brillant travail scientifique aura forcément un impact sur une multitude de domaines scientifiques, de l’étude de la chimie quantique à l’exploration de matériaux quantiques complexes.
« Nous avons vraiment une compréhension approfondie des interactions dans ce système, ce qui est essentiel pour les étapes suivantes, comme l’exploration de la physique dipolaire à plusieurs corps », a déclaré Ian Stevenson, co-auteur et postdoctorant à Columbia.
L’équipe de recherche a développé des systèmes de contrôle des interactions, les a testés d’un point de vue théorique et les a mis en œuvre dans le cadre d’expériences réelles. C’est vraiment merveilleux d’assister à la réalisation de ces concepts de « blindage » micro-ondes en laboratoire.
Déploiement d’une nouvelle toile en physique quantique
La création de BEC moléculaires permet de réaliser de nombreuses prédictions théoriques. La nature stable de ces BEC moléculaires permet une exploration approfondie de la physique quantique.
Une proposition visant à construire des cristaux artificiels avec des BEC maintenus dans un réseau optique fabriqué au laser pourrait fournir une simulation complète des interactions dans les cristaux naturels.
Le passage d’un système tridimensionnel à un système bidimensionnel devrait donner naissance à une nouvelle physique. Ce domaine de recherche ouvre de nombreuses possibilités dans l’étude des phénomènes quantiques, notamment la supraconductivité et la superfluidité.
« C’est comme si un tout nouvel univers de possibilités se dévoilait », conclut Sebastian Will, résumant l’enthousiasme de la communauté scientifique.
BEC : des atomes aux molécules
En résumé, cette recherche relate la création réussie d’un condensat de Bose-Einstein (BEC) utilisant des molécules de sodium-césium ultrafroides, atteignant un état stable à cinq nanoKelvin pendant deux secondes.
En tirant parti d’une combinaison de refroidissement laser, de manipulations magnétiques et de blindage innovant contre les micro-ondes, le groupe de recherche et son collaborateur théorique ont obtenu un contrôle sans précédent sur les interactions moléculaires aux niveaux quantiques.
Cette étape importante permet une exploration complète des phénomènes quantiques tels que la cohérence, les transitions de phase et les interactions à plusieurs corps, ouvrant potentiellement de nouvelles voies dans les simulations quantiques, l’informatique quantique et les mesures de précision.
L’étude complète a été publiée dans la revue Nature.
Un merci spécial à Ellen Neff de l’Université de Columbia.
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2024-06-28 23:51:05
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