En juillet 2018, la NASA a annoncé une incroyable réalisation. Ils avaient créé l’endroit le plus froid de l’espace – juste là, sur la Station spatiale internationale, en orbite autour de la Terre.
Ils ont pris des atomes d’un métal mou appelé rubidium, et les ont refroidis à des températures d’environ 100 nanoKelvin – un dix-millionième de Kelvin au-dessus du zéro absolu.
Ils ont ainsi obtenu un nuage très froid appelé condensat de Bose-Einstein, le “cinquième” état exotique de la matière, qui pourrait nous aider à comprendre les étranges propriétés quantiques des atomes ultrafroids. Mais les recherches ne se sont pas arrêtées là.
Grâce au laboratoire d’atomes froids du Jet Propulsion Laboratory, les scientifiques ont produit des condensats de Bose-Einstein à moins d’un nano-Kelvin au-dessus du zéro absolu, exploitant les conditions de microgravité à bord de la station spatiale pour en apprendre davantage sur cet état que nous ne pourrions le faire sur Terre.
Les condensats de Bose-Einstein sont assez étranges. Ils sont formés de bosons refroidis à une fraction seulement au-dessus du zéro absolu (sans toutefois atteindre le zéro absolu, à partir duquel les atomes cessent de bouger). Ils tombent alors dans leur état d’énergie le plus bas, se déplacent extrêmement lentement et se rapprochent suffisamment pour se chevaucher, produisant un nuage d’atomes de haute densité qui agit comme un “super-atome” ou une onde de matière.
Comme la mécanique quantique – dans laquelle chaque particule peut être décrite comme une onde – est plus facile à observer à l’échelle atomique, les condensats de Bose-Einstein permettent aux scientifiques d’étudier le comportement quantique à une échelle beaucoup plus grande, au lieu d’essayer d’étudier des atomes individuels.
Les condensats de Bose-Einstein peuvent être créés ici sur Terre, en utilisant une combinaison de refroidissement par laser, de champs magnétiques et de refroidissement par évaporation. Cette dernière technique est l’étape finale : les atomes sont maintenus dans un piège magnétique et un rayonnement de radiofréquence est utilisé pour “évaporer” les particules les plus énergétiques, laissant derrière elles les particules froides et lentes qui forment le condensat.
Une fois que cela s’est produit, le piège est éteint et les scientifiques peuvent réaliser des expériences. Mais ils doivent agir vite : la force de répulsion naturelle entre les atomes entraîne l’expansion et la dissipation du nuage. La gravité fait que ce processus se déroule assez rapidement – quelques dizaines de millisecondes seulement.
En revanche, si les effets de la gravité sont neutralisés en chute libre, il est possible de créer un condensat de Bose-Einstein qui peut durer plus d’une seconde.
En outre, l’impact réduit de la gravité signifie que le condensat peut se former dans une parabole moins profonde. Les chercheurs disposaient ainsi d’une meilleure fenêtre pour observer le nuage, à la fois avant et brièvement après sa libération.
C’est ce que les chercheurs ont réalisé avec le laboratoire d’atomes froids, mais lorsqu’ils ont sondé les condensats qu’ils ont produits, ils ont constaté des effets qui ne peuvent pas se produire dans la gravité terrestre.
“Nous constatons que le refroidissement par évaporation induit par les radiofréquences révèle des résultats nettement différents en microgravité”, écrivent-ils dans leur article.
“Nous observons une multiplication par près de trois du nombre d’atomes en orbite. Grâce à l’application de gradients de champ magnétique variés, nous confirmons qu’environ la moitié des atomes sont dans l’état magnétiquement insensible |2, 0⟩, formant un nuage semblable à un halo autour de l’emplacement du piège magnétique.”
Sur Terre, la gravité est la force dominante qui agit sur ces atomes, les retirant autour du piège.
Dans l’espace, la possibilité d’examiner de plus près le condensat a révélé un halo d’atomes de rubidium libres qui planent autour des bords du nuage. Grâce à la façon dont le matériau a été refroidi, ces atomes n’ont pratiquement pas fait attention au piège magnétique.
La gravité les aurait normalement écartés, du moins sur Terre. Mais en chute libre, ils sont restés en place, fournissant une ressource ultrafroide potentiellement utile pour des études futures.
La possibilité de produire des condensats de Bose-Einstein plus froids et plus durables signifie également que nous pouvons commencer à réfléchir à d’autres façons de les étudier. Par exemple, des formes de pièges impossibles à créer sur Terre pourraient être créées pour voir si des comportements quantiques différents peuvent être observés.
Les propriétés ondulatoires des condensats de Bose-Einstein sont également potentiellement utiles pour les interféromètres atomiques, qui peuvent être utilisés pour mesurer les constantes physiques fondamentales.
“Nous avons utilisé les capacités de base du CAL en orbite terrestre basse pour démontrer les avantages immédiats et fondamentaux de la microgravité pour les expériences sur les atomes ultrafroids…. Ces expériences constituent le début d’années potentielles d’opérations scientifiques, avec des capacités supplémentaires de l’instrument à utiliser au fil du temps”, écrivent les chercheurs dans leur article.
“Les futures mises à niveau modulaires de l’instrument CAL sont disponibles pour des études de mission prolongées, y compris un module scientifique construit par le JPL comprenant un interféromètre à ondes atomiques. En outre, des charges utiles pour les missions suivantes sont en cours de proposition et de développement, ce qui garantit la présence et l’application continues d’atomes ultrafroids en orbite”
La recherche a été publiée dans Nature.