Sur la station Tiangong, des atomes de rubidium refroidis à 9,7 picokelvins, un record

Une équipe de chercheurs chinois a établi un nouveau record de basse température à bord de la station spatiale chinoise Tiangong, rapporte le site britannique Phys.org. Les résultats ont été publiés dans la revue Science. Le site explique qu'à des températures extrêmement basses, la matière commence à se comporter autrement, ce qui crée des conditions propices à l'étude de la physique quantique et de nouveaux états de la matière. Selon Phys.org, ces travaux pourraient déboucher sur une nouvelle génération d'expériences de physique quantique et de mesures de précision dans l'espace.¹

La revue américaine Science, qui a publié l'étude, a titré la veille de cet article « China space experiment creates coldest temperature ever » (« Une expérience spatiale chinoise crée la température la plus froide jamais atteinte »). Elle présente la méthode comme une technique nouvelle de refroidissement des gaz atomiques, qui pourrait faciliter la mise à l'épreuve de la théorie de la gravitation d'Einstein.²

Des pièges à laser en microgravité

Près du zéro absolu, explique Phys.org, des atomes peuvent former une sorte de nuage, appelé condensat de Bose-Einstein, qui se comporte comme une onde quantique partagée. Les auteurs de l'étude décrivent ces condensats comme des « plateformes polyvalentes pour la simulation quantique ». Plus les atomes sont froids, plus ils ralentissent, ce qui permet de meilleures mesures. Ce qui signifie que la course vers des températures toujours plus basses répond d'abord à un besoin de précision expérimentale.¹

Atteindre de telles températures reste difficile. Sur Terre, la gravité fait s'affaisser les atomes dans le piège qui les retient. La lévitation magnétique a été utilisée pour la compenser, mais elle impose aux atomes un même état de spin interne. Les pièges optiques, qui utilisent des faisceaux laser, offrent un contrôle plus souple, mais ils n'avaient jamais produit directement de condensat en microgravité avant cette étude, précise Phys.org.¹

Le précédent record, 38 picokelvins de température équivalente, avait été obtenu dans une tour de chute, qui place l'expérience en chute libre. À bord de la Station spatiale internationale, le Cold Atom Laboratory avait atteint 52 picokelvins grâce à un piégeage magnétique et à une technique de « lentille d'onde de matière ». Les chercheurs utilisent la température équivalente, qui décrit l'énergie et la vitesse d'expansion du nuage, parce qu'une température thermodynamique ordinaire n'est pas adaptée à ce type d'expérience.¹

L'équipe a misé sur les pièges dipolaires optiques, qui maintiennent en place des atomes neutres et des particules microscopiques à l'aide de faisceaux laser focalisés. Dans l'espace, la microgravité n'est pas limitée à de courtes durées comme dans une tour de chute. Les chercheurs ont refroidi environ 20 000 atomes de rubidium par refroidissement laser puis par refroidissement évaporatif, qui élimine les atomes les plus énergétiques, pour former un condensat dans le piège optique. Un gradient de champ magnétique a amélioré le refroidissement initial et rendu le condensat moins sensible aux perturbations magnétiques. Les atomes ont ensuite été transférés dans un piège optique plus large, dont le confinement a été affaibli pour réduire l'énergie d'expansion, avant que l'expansion du nuage ne soit mesurée en trois dimensions.¹

La température équivalente mesurée est de 9,7 picokelvins, soit quatre fois moins que le précédent record, selon Phys.org. L'équipe indique que l'incertitude autour de cette valeur s'étend de 7,0 à 12,9 picokelvins. À ce stade, même la borne haute de cet intervalle reste inférieure aux 38 picokelvins de la tour de chute et aux 52 picokelvins du Cold Atom Laboratory. Le temps d'expansion libre, c'est-à-dire la durée pendant laquelle l'expansion a pu être suivie, a atteint 7 secondes, contre 2 secondes dans l'expérience en tour de chute et 1 seconde à bord de la Station spatiale internationale.¹

Simulation quantique et test du principe d'équivalence

Pour les physiciens, la combinaison de températures plus basses et de fenêtres de mesure plus longues est ce qui ouvre de nouvelles possibilités, selon Phys.org. L'équipe ajoute que des pièges à volume ajustable pourraient augmenter le nombre d'atomes disponibles pour les expériences. Parmi les pistes évoquées figurent l'étude d'états quantiques inhabituels à l'aide de champs laser façonnés avec précision et des interféromètres atomiques dans l'espace.¹

Les auteurs de l'étude présentent leur système comme un outil puissant. « Premièrement, il vise à permettre la simulation quantique pour explorer la physique des basses températures dans l'environnement unique de l'espace. Cela inclut l'étude de phases quantiques exotiques, comme l'examen de la désintégration de l'ordre de liquide de Tomonaga-Luttinger dans des systèmes bosoniques unidimensionnels et l'exploration des propriétés des phases de verre de Bose ou de Mott fractales dans des potentiels désordonnés », écrivent-ils.¹

« Un deuxième objectif possible est la construction d'un interféromètre atomique de Mach-Zehnder dans l'espace, susceptible de réaliser des tests de précision de principes fondamentaux, comme le principe d'équivalence », poursuivent-ils. Ce second objectif rejoint la lecture de la revue Science, qui met en avant la possibilité de mettre plus facilement à l'épreuve la théorie de la gravitation d'Einstein. Reste à savoir si ces applications, formulées par les auteurs comme des objectifs et non comme des résultats, se concrétiseront à bord de Tiangong : elles relèvent à ce stade du programme de recherche.^1,2