Des scientifiques chinois ont refroidi un nuage d’atomes de rubidium à bord de la station spatiale chinoise à une température équivalente de 9,7 billionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, un niveau record selon l’équipe de recherche.
Les chercheurs ont également observé l’expansion du nuage pendant sept secondes après sa libération, offrant ainsi une fenêtre plus longue pour des expériences susceptibles de sonder le comportement quantique et d’améliorer la précision des mesures.
Les résultats ont été publiés en ligne dans la revue vendredi. L’expérience a utilisé les installations de physique des atomes ultrafroides du module de laboratoire Mengtian de la station, impliquant des chercheurs de l’Université de Pékin, de l’Institut d’optique et de mécanique fine de Shanghai et du Centre de technologie et d’ingénierie pour l’utilisation de l’espace (CSU) de l’Académie chinoise des sciences.
La température signalée, 9,7 picokelvin, caractérise l’expansion extrêmement lente des atomes. Cela ne signifie pas que l’équipement ou son environnement ont atteint la même température.
Wolfgang Ketterle, professeur de physique au Massachusetts Institute of Technology et lauréat du prix Nobel de physique 2001, a expliqué pourquoi il est important de mener des expériences dans l’espace.
« Sur Terre, il tomberait d’environ 250 mètres, donc il s’écraserait au sol à moins que vous n’ayez une chambre à vide de 250 mètres de haut », a-t-il déclaré à propos de l’expansion du nuage en sept secondes.
Le refroidissement des atomes ralentit leur mouvement. À des températures suffisamment basses et à des densités élevées, ils peuvent former un condensat de Bose-Einstein, un état dans lequel un ensemble d’atomes présente un comportement quantique collectif.
Cela donne aux chercheurs un moyen d’étudier les phénomènes quantiques à des échelles plus grandes que les atomes individuels et de construire des expériences contrôlées pour étudier le comportement de la matière.
Sur Terre, la gravité limite la faiblesse avec laquelle les atomes peuvent être confinés et la durée pendant laquelle ils peuvent être observés après leur libération. L’affaiblissement d’un piège aide à refroidir les atomes, mais la gravité peut les extraire avant que les conditions souhaitées ne soient atteintes.
L’environnement de microgravité de la station spatiale permet un confinement beaucoup plus faible et une observation plus longue. Cependant, pour tirer parti de ces conditions, il fallait un système de refroidissement conçu pour fonctionner de manière fiable en orbite.
L’équipe a utilisé une approche de piégeage entièrement optique, en maintenant et en manipulant les atomes avec une lumière laser. Le refroidissement par évaporation, qui permet aux atomes plus énergétiques de s’échapper, a été suivi d’une autre étape de refroidissement utilisant une expansion non adiabatique.
Le refroidissement par évaporation dans un piège optique devient moins efficace en microgravité, selon les chercheurs. Ils ont développé une méthode utilisant un gradient magnétique supplémentaire pour améliorer le procédé et produire un condensat.
L’expérience nécessitait également des contrôles optiques et électroniques précis pour limiter les perturbations susceptibles de perturber le nuage ultrafroid.
Des durées d’observation plus longues augmentent les chances de détecter de nouveaux phénomènes physiques plus faibles, selon les chercheurs Xiong Wei et Jin Shengjie de l’Université de Pékin, co-premiers auteurs de l’article.
L’installation a été lancée avec Mengtian en 2022, à la suite d’un projet dont l’évaluation initiale a commencé en 2011.
Ses développeurs ont intégré un système expérimental au sol occupant environ 20 mètres cubes et pesant 10 tonnes dans un instrument de vol spatial d’environ 0,7 mètre cube et une demi-tonne.
Cela nécessitait l’intégration de lasers, d’optiques de précision, d’un système à vide ultra poussé et de commandes automatisées tout en répondant aux exigences des vols spatiaux, notamment une puissance limitée et la nécessité d’un fonctionnement fiable.
Au-delà du record de température, le système optique offre des opportunités de simulation quantique.
Il pourrait prendre en charge des réseaux optiques, des modèles de lumière laser qui maintiennent les atomes dans des arrangements ressemblant à un cristal. En modifiant ces dispositions et conditions expérimentales, les scientifiques peuvent simuler des aspects de matériaux difficiles à étudier directement.
Les travaux pourraient également prendre en charge les interféromètres atomiques, des instruments qui utilisent les propriétés ondulatoires des atomes pour mesurer des effets tels que l’accélération et la gravité.
« Les interféromètres atomiques bénéficient grandement des sources fournissant un grand nombre d’atomes dans un ensemble ultrafroid et de longues durées d’observation », a déclaré Ernst M. Rasel, professeur de physique à l’Université Leibniz de Hanovre en Allemagne.
Rasel a expliqué que leur sensibilité augmente avec le carré du temps passé par les atomes dans l’interféromètre. Il a identifié une prochaine étape consistant à développer des interféromètres en orbite dans lesquels les atomes restent divisés de manière cohérente pendant plusieurs secondes.
De telles expériences pourraient permettre de mesurer le champ de gravité terrestre et de tester la physique fondamentale, notamment des études sur des modèles de matière noire. Cela reste des orientations pour des recherches ultérieures.
Ketterle a décrit cette réalisation comme « un excellent point de départ pour faire progresser la thermométrie atomique et les mesures de précision ».
