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Le “cinquième état de la matière” observé pour la première fois dans l’espace

Modèle informatique d'un condensat de Bose-Einstein. Crédits : NASA / NIST

Des chercheurs ont réussi à produire un condensat de Bose-Einstein – le cinquième état de la matière – à bord de l’SS, et à le maintenir pendant plus d’une seconde. Une véritable prouesse qui, à terme, pourrait aider à percer de profonds mystères en physique.

Il y a environ deux ans le Cold Atom Laboratory, une charge utile de la taille d’une glacière, était installé à bord de la Station spatiale internationale. Sa mission : ralentir et refroidir des atomes jusqu’à une fraction au-dessus du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius), soit la température la plus froide de l’Univers. Se faisant, et si les conditions le permettent, les chercheurs obtiendraient alors des condensats de Bose-Einstein (BEC).

Prédits par Albert Einstein et le mathématicien indien Satyendra Nath Bose il y a près d’un siècle, ils forment le “cinquième état de la matière”, les quatre états habituels étant le solide, le liquide, le gaz et le plasma.

Ralentir la matière

Les condensats de Bose-Einstein se forment lorsque les atomes sont refroidis à un niveau proche du zéro absolu. Pour se faire, les chercheurs s’appuient sur des lasers, de manière à les ralentir  le plus possible (plus les atomes deviennent froids, plus ils perdent de l’énergie, et plus ils se déplacent lentement).

Une fois ralenties, les particules sont ensuite maintenues en place par un champ magnétique. Elles se chevauchent alors, se condensent, pour finalement ne former plus qu’un seul et même état quantique. Une sorte de “super atome”.

En relâchant le piège magnétique, les scientifiques peuvent ensuite observer les propriétés de cet état de la matière. Mais il faut aller vite.

La moindre interaction avec le monde extérieur suffit à en effet à réchauffer les condensats. Ils peuvent être créés sur Terre, mais notre planète présente un sérieux inconvénient : sa gravité. Celle-ci, en interférant avec les champs magnétiques nécessaires pour les maintenir en place, ne permet pas d’observer ces nuages d’atomes plus d’une fraction de seconde. Après quoi tout s’effondre.

Un état maintenu pendant plus d’une seconde

L’environnement de microgravité qui baigne l’ISS permet de surmonter ce problème, autorisant finalement un meilleur maintient de ce “cinquième état de la matière”. Ce jeudi, une équipe de la NASA a dévoilé les premiers résultats d’une expérience au cours de laquelle des atomes de rubidium – un métal mou semblable au potassium – ont pu être manipulées sans contraintes terrestres.

Les chercheurs ont réussi, disent-ils, à créer des condensats de Bose-Einstein maintenus ainsi plus d’une seconde, offrant à l’équipe une chance sans précédent d’étudier leurs propriétés.

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Le Cold Atom Laboratory. Crédits : NASA/JPL-Caltech/Tyler Winn

Ces travaux, publiés dans la revue Nature, ne sont qu’une “démonstration initiale des avantages offerts par un environnement de microgravité pour des expériences de refroidissement des atomes“, écrivent les chercheurs, mais ils ouvrent la voie à de nouvelles avancées importantes.

À terme, plus nous serons en mesure de “maîtriser” cet état de la matière, plus nous serons en mesure d’étudier des phénomènes quantiques jamais vus auparavant, et plus encore. Les applications vont des expériences en relativité générale à la quête de l’énergie sombre, soupçonnée d’être responsable de l’accélération de l’expansion de l’univers.

Dans le cadre de prochaines expérience, les chercheurs viseront à maintenir cet état de la matière encore plus longtemps. Se faisant, ils se donneront alors les moyens de l’étudier plus en détails. Robert Thompson, physicien au California Institute of Technology à Pasadena, a également souligné à Space.com leur ambition de combiner les atomes de rubidium avec des atomes de potassium dans le but de comprendre ce qui se passe lorsque deux condensats se mélangent.