Ils ont rapproché des paires d’atomes comme jamais auparavant

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Crédits : :Jian Fan/istock

Les avancées dans le domaine de la physique quantique sont souvent marquées par des découvertes fascinantes. Cette nouvelle percée réalisée par des chercheurs du MIT ne fait pas exception. Ces scientifiques ont en effet réussi à rapprocher deux couches d’atomes magnétiques ultra-froids à une proximité remarquable, dévoilant ainsi des phénomènes quantiques surprenants qui n’avaient jamais été observés auparavant.

D’étranges comportements

Le contexte de cette avancée est crucial pour en comprendre toute la portée. Considérons tout d’abord ce qui se passe lorsque les atomes sont refroidis à des températures extrêmement basses, proches du zéro absolu (-273,15°C).

À de telles températures, les mouvements thermiques des atomes deviennent presque négligeables, les forçant à occuper leur état quantique le plus bas, également appelé l’état fondamental. Les atomes se comportent alors selon les règles de la mécanique quantique, où les notions classiques de particules discrètes sont remplacées par des descriptions probabilistes et ondulatoires.

Le condensat de Bose-Einstein est un phénomène quantique qui se produit lorsque des atomes refroidis à des températures ultra-basses se retrouvent tous dans le même état quantique, formant ainsi une sorte de « super-atome » où les frontières entre les particules individuelles deviennent floues. Contrairement à la matière ordinaire où chaque atome est distinct, dans un condensat de Bose-Einstein, les atomes se comportent ainsi collectivement comme une seule entité cohérente.

Ce comportement ondulatoire est l’une des caractéristiques les plus intrigantes de la physique quantique. Il montre comment les propriétés des atomes individuels peuvent s’entrelacer et se superposer pour former des phénomènes macroscopiques entièrement nouveaux. Cette capacité des particules à se comporter comme des ondes est essentielle pour comprendre de nombreux aspects de la physique quantique, y compris la supraconductivité, la superradiance et d’autres phénomènes avancés.

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Dans les années 1920, Albert Einstein et le physicien indien Satyendra Nath Bose ont été les premiers à prédire l’existence d’une forme étrange de matière aujourd’hui connue sous le nom de condensat de Bose-Einstein. Crédits : NIST/JILA/CU-Boulder

Plusieurs défis techniques

Cependant, l’étude des phénomènes quantiques présente des défis techniques significatifs, en particulier en ce qui concerne les interactions entre les particules. Celles-ci sont notamment souvent sensibles à la distance entre les particules, ce qui peut compliquer les expériences et les observations.

Dans le cadre de l’étude mentionnée, les chercheurs se sont intéressés aux atomes de dysprosium qui ont notamment la particularité de pouvoir interagir à longue distance via des interactions dipôle-dipôle. Il s’agit des forces d’attraction faibles qui se produisent entre les charges partielles des atomes adjacents. Contrairement à d’autres types d’interactions atomiques, telles que les interactions de Van der Waals qui diminuent rapidement avec la distance, les interactions dipôle-dipôle peuvent se faire sentir sur de plus grandes distances.

Cependant, même avec cette capacité à interagir à distance, les chercheurs sont confrontés à des défis pour étudier ces interactions quantiques à longue portée. La principale difficulté réside dans la nécessité de contrôler la distance entre les particules avec une précision extrême. Des variations minimes dans la distance entre les atomes peuvent en effet avoir des effets significatifs sur leurs interactions quantiques.

Des paires d’atomes distants de 50 nanomètres

Pour surmonter les obstacles techniques et étudier les effets quantiques à une échelle aussi précise, les chercheurs doivent donc utiliser des méthodes innovantes. Dans cette étude, l’équipe du MIT a trouvé une solution en utilisant des faisceaux laser focalisés à travers une lentille. Ces derniers forment un point focal gaussien qui agit comme un piège énergétique pour les atomes. L’idée est de les confiner à l’intérieur afin de les maintenir en position.

Ce qui rend cette approche particulièrement ingénieuse, c’est que les chercheurs ont utilisé deux faisceaux laser distincts pour piéger séparément la rotation ascendante et descendante des atomes de dysprosium. Ces faisceaux laser sont réglés à des fréquences et des angles de polarisation légèrement différents de sorte que chacun d’entre eux ne piège que l’une des rotations des atomes.

Cette technique permet aux chercheurs d’avoir un contrôle précis sur les bicouches d’atomes de dysprosium en les maintenant à une distance incroyablement proche l’une de l’autre. En contrôlant soigneusement les propriétés des pinces optiques, l’équipe du MIT a en effet réussi à rapprocher les deux rotations des atomes à une distance inférieure à 50 nanomètres l’une de l’autre, soit dix fois plus près que lors d’expériences antérieures. Cela a permis d’augmenter considérablement la force d’interaction entre les atomes, ouvrant ainsi la voie à l’étude approfondie des effets quantiques à cette échelle.

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Crédits : Jian Fan/istock

Quelles implications ?

Cette proximité sans précédent a notamment révélé une série d’effets quantiques étranges, dont l’un des plus remarquables est le transfert de chaleur à travers le vide entre les deux couches d’atomes. Ce phénomène défie les attentes habituelles en matière de transfert de chaleur, démontrant ainsi la complexité des interactions quantiques à cette échelle.

L’étude des interactions quantiques entre ces bicouches d’atomes ne s’arrête pas là. Les chercheurs ont l’intention d’explorer de nouveaux aspects, notamment comment ces bicouches interagissent avec la lumière. Cette exploration est cruciale, car elle pourrait révéler des phénomènes encore inconnus et ouvrir la voie à de nouvelles applications technologiques.

L’un des aspects les plus intrigants est la possibilité de former des paires Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Il s’agit d’états liés quantiques qui se forment entre certaines particules subatomiques, appelées fermions, à très basse température. Dans ces paires, les fermions sont liés ensemble par des interactions quantiques, créant ainsi un état collectif qui se comporte différemment des particules individuelles.

La formation de ces paires BCS est d’un intérêt particulier, car elle est étroitement liée à un phénomène bien connu : la supraconductivité. En effet, dans certains matériaux, lorsque les électrons forment des paires BCS, ils peuvent circuler à travers le matériau sans rencontrer de résistance électrique, créant ainsi un état de supraconductivité. Ce phénomène a des implications importantes dans divers domaines, notamment l’électronique, la technologie des capteurs et la transmission d’énergie.

Ainsi, en explorant la possibilité de former des paires BCS dans ces bicouches d’atomes, les chercheurs ouvrent la voie à de nouvelles avancées dans le domaine de la supraconductivité. Ces découvertes pourraient potentiellement conduire au développement de matériaux supraconducteurs à température ambiante, ce qui révolutionnerait de nombreux aspects de la technologie moderne.

Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Science.