Comment les condensats de Bose-Einstein continuent de révéler une physique étrange

Un condensat de Bose-Einstein (BEC), dont le premier a été montré expérimentalement il y a 22 ans, n’est pas l’état de la matière de votre jardin. Il s’est formé à une fraction au-dessus du zéro absolu et uniquement dans les atomes qui agissent comme des bosons, l’un des deux types de particules fondamentales. Les bosons ne suivent pas le principe d’exclusion de Pauli, qui interdit à deux particules d’exister dans le même état quantique. Lorsque les atomes bosoniques sont refroidis pour former un condensat, ils peuvent perdre leur individualité. Ils se comportent comme un grand superatome collectif, analogue à la façon dont les photons deviennent indiscernables dans un faisceau laser. Mais c’est encore plus bizarre que ça.

“Dans une très bonne analogie, on peut voir un BEC comme une cloche, qui commence à sonner spontanément lorsqu’il est refroidi en dessous d’une certaine température”, écrit le physicien Nick Proukakis du Joint Quantum Center Durham-Newcastle au Royaume-Uni, dans Universal Themes of Bose–Einstein Condensation, une prochaine collection d’essais de recherche sur les progrès des BEC (1). Ce comportement offre aux physiciens une opportunité extraordinaire : étudier des effets quantiques bizarres à grande échelle, au lieu d’avoir à sonder des particules individuelles.

Au cours des deux dernières décennies, les physiciens ont traité les BEC comme du Play-Doh. Ils le piquent, le brisent, le chatouillent avec des lasers et le piègent dans des champs magnétiques. Ils mélangent les condensats pour voir ce qui se passe et l’utilisent pour ralentir la lumière (2). Ils ont observé des comportements étranges qui auraient été impossibles à prévoir il y a encore deux décennies : des solides qui s’écoulent par eux-mêmes, par exemple (3).

Les scientifiques ont fait d’autres observations surprenantes, comme des gouttelettes de liquide magnétique qui tombent comme des roches solides, ou des particules neutres qui agissent comme si elles portaient une charge (4,5). Dans certaines conditions, les BEC peuvent être contrôlés pour former des tourbillons tourbillonnants ou exploser comme de minuscules supernovas (surnommées «bosenovas») (6). Dans le cadre d’expériences de pointe, les chercheurs étudient les BEC en une ou deux dimensions, ou les utilisent pour rechercher des atomes intriqués.

Après la première observation en 1995, les BEC ont enflammé le domaine de la physique des atomes froids. Certains experts de l’époque ont dénoncé la recherche sur le BEC comme une mode, une merveille intellectuelle unique qui était intéressante à observer mais qui ne changerait pas le domaine de manière significative. Maintenant, les experts travaillant dans le domaine aujourd’hui disent qu’il est juste en train d’atteindre son rythme de croisière.

En avance sur leur temps

Pour créer un BEC, les physiciens doivent refroidir un gaz diffus d’atomes – le rubidium, dans cette première expérience réussie – à quelques millionièmes de Kelvin au-dessus du zéro absolu. Ce n’est pas une tâche facile, et les chercheurs s’appuient généralement sur deux techniques. La première technique est le refroidissement par laser, qui consiste à diffuser des lasers de six directions dans le gaz. Un atome se déplaçant vers un laser absorbe un photon et ralentit. Ensuite, il libère un photon dans une direction aléatoire. Au cours de nombreuses répétitions d’absorption et d’émission, le processus réduit la vitesse des atomes, et donc la température.

La deuxième méthode consiste à écrémer les atomes les plus chauds ; c’est ce qu’on appelle le refroidissement par évaporation. Au cours de cette étape, un piège magnétique retient les atomes et les atomes d’énergie plus élevée peuvent s’échapper, abaissant l’énergie globale, et donc la température, de l’échantillon.

“Il n’y a pas assez de temps pour explorer toutes les choses intéressantes que le système peut révéler”, explique Sandro Stringari, physicien théoricien à l’Université de Trente, en Italie, qui étudie les superfluides dans les BEC et d’autres matériaux. Les superfluides sont une phase de la matière avec une viscosité nulle et une entropie nulle, ce qui signifie qu’ils font des choses surprenantes, comme escalader les parois des vaisseaux où ils sont retenus. Le comportement superfluide a longtemps été associé aux BEC, et les recherches de Stringari montrent où l’un commence et l’autre commence. “Je ne pense pas que tout ait encore été sondé”, déclare Proukakis. “Il y a beaucoup de frontières”.

Les BEC sont nés d’une lettre. En 1924, le physicien indien Satyendra Nath Bose a écrit à Albert Einstein, partageant ses idées sur une loi physique existante décrivant comment la lumière et la matière interagissent. “Bien que vous soyez un parfait inconnu, je n’hésite pas à faire une telle demande”, a écrit Bose. «Nous sommes tous vos élèves bien que ne profitant que de vos enseignements à travers vos écrits» (7).

Dans sa lettre, Bose a contesté la dérivation de la loi, qui utilisait des méthodes statistiques traditionnelles pour décrire le comportement de particules distinctes. Mais la lumière est transportée par des photons, qui peuvent être décrits comme des particules ou des ondes. Bose a décrit une nouvelle approche pour analyser les particules comme les photons. Inspiré, Einstein a contribué à la publication des travaux de Bose. Leur collaboration a conduit à un nouvel outil – les statistiques de Bose-Einstein – et à la prédiction de nouveaux matériaux, les condensats de Bose-Einstein.

Il s’est avéré que la fabrication de ce matériel prendrait des décennies. C’est principalement à cause de la difficulté d’atteindre des températures aussi basses. En 1937, des physiciens ont découvert la superfluidité dans un isotope d’hélium refroidi à 2,2 Kelvin, et de nombreux physiciens ont soutenu qu’au moins une partie d’un superfluide était constituée de BEC (8). Mais d’autres sont restés sceptiques et le débat s’est poursuivi. Lors d’une réunion de 1993 sur l’état de la recherche sur les BEC, certains physiciens ont même soutenu que les condensats quantiques étaient effectivement impossibles à fabriquer; que même si la théorie soutenait leur existence, l’État aurait besoin d’un temps infini pour se former.

La première démonstration sans équivoque d’un BEC est apparue 2 ans après cette réunion, en 1995, des physiciens Carl Wieman et Eric Cornell du JILA (anciennement connu sous le nom de Joint Institute for Laboratory Astrophysics), un institut de recherche de l’Université du Colorado à Boulder (9 ). Le premier BEC comprenait un gaz d’atomes de rubidium. “Cela a ouvert un nouveau domaine en physique quantique”, déclare Stringari. En quelques mois, le physicien Wolfgang Ketterle, du Massachusetts Institute of Technology, a dirigé la réalisation du BEC dans le sodium. En 2001, Wieman, Cornell et Ketterle ont partagé le prix Nobel de physique pour leur travail révolutionnaire.

D’autres condensats ont suivi. En 1998, des chercheurs ont produit un BEC dans l’hydrogène. Depuis lors, les physiciens ont créé des BEC à partir d’atomes d’autres métaux, dont le lithium, le potassium, le césium, le calcium, le strontium, le chrome et l’ytterbium. Ils ont également confirmé que l’hélium-4 superfluide a un composant BEC, comme on l’a longtemps supposé.

Les physiciens continuent de sonder les BEC, dit Proukakis, car après des décennies de mise au point de leurs méthodes, les expériences offrent un excellent contrôle du matériau, et la fabrication de BEC nécessite un équipement qui peut être acheté sans grever le budget d’un laboratoire de recherche. Les récompenses potentielles sont élevées : des expériences créatives isolent la physique la plus intéressante, montrant de nouvelles bizarreries à l’échelle quantique. “Vous pouvez très bien les manipuler, expérimentalement, et isoler la physique la plus intéressante”, explique Proukakis.

Inconnues inconnues

Les BEC peuvent être les plus intéressants en raison de ce que les chercheurs ne savent pas encore à leur sujet. Ils ne se trouvent pas naturellement sur Terre, mais certains pensent que les conditions de haute pression autour des étoiles à neutrons pourraient donner naissance à des gaz de type BEC (1). Des densités élevées dans cet environnement extrême peuvent rapprocher tellement les particules qu’elles agissent comme des condensats.

Ce qui est inhabituel avec les BEC, c’est l’interaction étroite entre la théorie et les expériences. “Le domaine est vraiment défini par ce qui peut être fait expérimentalement”, explique Ketterle. “Les expérimentateurs ont fait preuve de créativité dans la façon de créer de nouveaux systèmes et d’introduire de nouvelles méthodes de détection, et cela a inspiré la théorie.” Les découvertes du laboratoire de Ketterle, publiées en mars, rapportent de nouvelles preuves d’un comportement supersolide dans un BEC (3). Les supersolides ont une structure ordonnée, comme un cristal, mais s’écoulent sans frottement, comme un superfluide, entraînant des phénomènes tels que l’écoulement à travers lui-même.

Cela ne veut pas dire que la théorie passe au second plan. Proukakis, à Newcastle, affirme que la théorie et les capacités expérimentales fonctionnent main dans la main, c’est pourquoi le domaine a évolué si rapidement au cours des deux dernières décennies. Les supersolides, par exemple, ont été prédits pour la première fois il y a plus de 50 ans, mais les scientifiques n’ont pas pu les observer expérimentalement avant d’avoir compris comment manipuler les BEC.

Ce qui rend cette synergie possible, dit Ketterle, c’est le fait que les expériences sont relativement rapides et flexibles. Les lasers et les champs magnétiques utilisés pour stimuler et contrôler le condensat peuvent être modifiés par les chercheurs.

Au cours des deux dernières décennies, ces outils sont devenus plus précis et stables, et plus faciles à utiliser, et ces avancées ont permis aux physiciens de poser des questions plus approfondies sur le matériau, qu’il s’agisse de sonder la superfluidité ou la gravité quantique.

Même ainsi, Ketterle dit que les expériences qui font vraiment avancer la recherche restent délicates et techniquement difficiles. “Les expériences étaient alors sacrément difficiles, et elles sont sacrément difficiles maintenant”, dit-il. Il y a vingt ans, Ketterle et ses étudiants passaient toute la journée à stabiliser l’équipement de laboratoire et toute la nuit à étudier le condensat. “Aujourd’hui, vous appuyez sur un bouton le matin et vous avez un BEC”, dit-il. Mais, ajoute-t-il, il y a beaucoup plus de «cloches et de sifflets», comme les nouveaux lasers et aimants qui demandent du temps et de la patience pour se calibrer.

Tout cela fait des BEC un domaine de la physique, dit Ketterle, où la curiosité peut encore dominer l’utilité ou l’applicabilité. “C’est bien”, ajoute-t-il, “d’être dans un domaine scientifique où cela se produit”.

Références