Un nouveau type de condensat de Bose-Einstein (BEC) a été créé dans le laboratoire du physicien Sebastian Will à l’Université Columbia, ouvrant la voie à des recherches inédites en physique quantique. Découvrez comment cette réalisation, fruit de décennies de travail, pourrait transformer notre compréhension des phénomènes quantiques.
Le laboratoire de Sebastian Will, en collaboration avec Tijs Karman de l’Université Radboud aux Pays-Bas, a réussi à créer un état quantique unique de la matière, un condensat de Bose-Einstein (BEC), à partir de molécules. Ce BEC, refroidi à seulement cinq nanoKelvin, soit environ -459,66 °F, est composé de molécules de sodium-césium. Ces molécules polaires, portant à la fois une charge positive et une charge négative, facilitent des interactions à longue portée, ouvrant la voie à des phénomènes physiques fascinants.
Les recherches futures du laboratoire Will avec ces BEC moléculaires incluent l’exploration de nouveaux types de superfluidité, un état de la matière qui s’écoule sans friction. Ils espèrent également utiliser ces BEC comme simulateurs pour recréer les propriétés quantiques de matériaux plus complexes, tels que les cristaux solides.
Une histoire de la science des BEC
La science des BEC remonte à un siècle, avec les physiciens Satyendra Nath Bose et Albert Einstein. Dans une série d’articles publiés en 1924 et 1925, ils ont prédit qu’un groupe de particules refroidies presque à l’arrêt se condenserait en une seule entité plus grande, partageant des propriétés et des comportements dictés par les lois de la mécanique quantique. Les premiers BEC atomiques ont été créés en 1995, une réalisation récompensée par le prix Nobel de physique en 2001.
Depuis lors, les laboratoires ont régulièrement créé des BEC atomiques à partir de plusieurs types d’atomes, élargissant notre compréhension de concepts tels que la nature ondulatoire de la matière et les superfluides. Cependant, les atomes sont relativement simples et ne présentent généralement pas les interactions complexes qui peuvent découler de la polarité. Les scientifiques ont donc cherché à créer des versions plus complexes à partir de molécules.
Le rôle des micro-ondes dans le refroidissement
Pour atteindre des températures encore plus basses, l’équipe de Will a utilisé des micro-ondes. Ces ondes électromagnétiques peuvent créer de petits boucliers autour de chaque molécule, empêchant les collisions et permettant de retirer préférentiellement les molécules les plus chaudes du échantillon. En ajoutant un deuxième champ micro-ondes, le refroidissement est devenu encore plus efficace, permettant au sodium-césium de franchir le seuil du BEC.
En plus de réduire les collisions, le deuxième champ micro-ondes peut également manipuler l’orientation des molécules, offrant un moyen de contrôler leurs interactions. «En contrôlant ces interactions dipolaires, nous espérons créer de nouveaux états quantiques et phases de la matière», a indiqué Ian Stevenson, postdoctorant à Columbia.
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Un nouvel horizon pour la physique quantique
Les résultats obtenus par l’équipe de Columbia auront des impacts importants sur plusieurs domaines scientifiques, y compris l’étude de la chimie quantique et l’exploration des matériaux quantiques fortement corrélés. «L’expérience de Will présente un contrôle précis des interactions moléculaires pour orienter le système vers un résultat souhaité, une réalisation merveilleuse dans la technologie de contrôle quantique», a commenté Jun Ye, pionnier de la science des ultrafroids basé à Boulder.
Avec des BEC moléculaires stables pendant environ deux secondes, l’équipe de Columbia peut désormais tester de nombreuses prédictions théoriques. Une idée est de créer des cristaux artificiels avec les BEC piégés dans un réseau optique fait de lasers, permettant des simulations quantiques puissantes qui imitent les interactions dans les cristaux naturels. «Le BEC moléculaire introduira plus de complexité», a ajouté Will.
Les chercheurs souhaitent également utiliser les BEC dans un système en 2D. «Lorsque vous passez de trois dimensions à deux, vous pouvez toujours vous attendre à de nouvelles physiques», a déclaré Weijun Yuan, étudiant en doctorat et co-premier auteur. Les matériaux 2D sont un domaine de recherche majeur à Columbia, et un système modèle composé de BEC moléculaires pourrait aider à explorer des phénomènes quantiques tels que la supraconductivité et la superfluidité.
En conclusion, la création de ce BEC moléculaire ouvre un nouveau monde de possibilités pour la recherche en physique quantique, offrant des perspectives inédites pour comprendre et manipuler les interactions quantiques à un niveau fondamental.
Légende illustration : À l’aide de micro-ondes, des physiciens de Columbia ont créé un condensat de Bose-Einstein, un état unique de la matière, à partir de molécules de sodium-césium. Crédit : Will Lab, Columbia University/Myles Marshall
Article : « Observation of Bose-Einstein Condensation of Dipolar Molecules » – DOI: 10.1038/s41586-024-07492-z
