Une vue d'artiste de l'expérience CAL à bord de l'ISS. Des atomes y seront refroidis avec des faisceaux laser. © Nasa

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Cinquième état de la matière : record de durée et observé à bord de l'ISS pour la première fois

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C'est un premier succès pour l'expérience CAL (Cold Atom Laboratory) à bord de l'ISS. Les chercheurs ont réussi pour la première fois à produire dans l'espace un cinquième état de la matière à moins d'un milliardième de kelvin, des condensats de Bose-Einstein. CAL pourrait ouvrir la porte à des mesures d'une précision inédite avec des lasers atomiques qui pourraient être la clé d'une nouvelle physique dans le domaine de la gravitation, avec l'expansion de l'Univers ou l'information quantique.

Empédocle puis Aristote distinguaient quatre puis cinq éléments fondamentaux constituant la réalité : la Terre, l'eau, l'air, le feu et l'éther. Pour les physiciens modernes, ces divisions peuvent correspondre aux états de la matière dans les trois premiers cas, à savoir solide, liquide et gazeux. Le feu peut être considéré comme un plasma si sa température est suffisamment élevée, plasma qui peut être vu comme un quatrième état de la matière. Quant à l'éther, c'est la notion de champ, et en tout premier lieu celle d'espace-temps, qui peut lui être associée.

Une présentation des stupéfiantes propriétés des condensats de Bose-Einstein et des expériences qui seront menées avec eux à bord de l'ISS. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © Science@Nasa, YouTube

Toutefois, de nos jours, lorsque les physiciens parlent d'un cinquième état de la matière, ce sont les condensats de Bose-Einstein (BEC) qu'ils ont à l'esprit. On les obtient à partir d'atomes dont les noyaux contiennent un nombre pair de protons et de neutrons, de sorte qu'en mécanique quantique ils se comportent comme des bosons. Pour observer un BEC, il faut descendre à de très basses températures pour un gaz de particules ayant très peu voire pas du tout d'interactions, ce qui est le cas dans un gaz dilué et a fortiori avec des photons. C'est d'ailleurs en étudiant le gaz de photons formant le rayonnement d'un corps noir à partir des idées avancées par l'Indien Satyendranath Bose qu'Albert Einstein a découvert théoriquement, en 1924, le phénomène portant aujourd'hui le nom des deux physiciens.

La microgravité, une clé pour l'étude des BEC

On a pensé un temps que la superfluidité de l'hélium 4 était une manifestation de la condensation de Bose-Einstein mais les interactions entre les atomes de cet isotope de l'hélium sont trop fortes pour que cela puisse vraiment être le cas, bien que l'idée soit partiellement pertinente. Il a fallu attendre 1995 pour que le premier vrai condensat gazeux soit produit par Wolfgang Ketterle, Eric Cornell et Carl Wieman, ouvrant la voie à l'étude des gaz atomiques dilués ultrafroids dans le régime quantique, ce qui leur valut le prix Nobel de physique en 2001.

Qu'est-ce qu'une condensation de Bose-Einstein ? © Vulgarisation, YouTube

Aujourd'hui, une publication dans Nature annonce une grande réussite dans ce domaine de recherche passionnant qu'est celui des BEC. Comme Futura l'avait expliqué dans plusieurs des précédents articles ci-dessous, une équipe de chercheurs travaillait depuis des années sur l'expérience CAL (Cold Atom Laboratory) en cours à bord de l'ISS et qu'elle a rejointe le 21 mai 2018.

Ces physiciens nous font savoir qu'ils ont donc réussi pour la première fois à produire et observer ce cinquième état de la matière à bord de la station spatiale internationale (ISS). La disponibilité de la microgravité permet d'y battre plusieurs records avec des BEC, en particulier atteindre des températures extrêmement basses dont on ne voit pas comment elles pourraient être obtenues naturellement dans le cosmos observable actuellement, sauf par une autre civilisation techniquement avancée.

Des lasers atomiques pour étudier l'énergie noire

Surtout, les expériences menées avec le BEC qui consistent initialement à piéger et à refroidir un gaz d'atome avec des champs électromagnétiques, en particulier des faisceaux laser, nécessitent de laisser le gaz de particules se dilater. Mais pas trop sans quoi l'effet quantique collectif expliqué dans l'animation de la première vidéo en tête de cet article disparaît.

Sur Terre, la dilatation est trop rapide pour donner le temps nécessaire à certaines études mais, en microgravité permanente comme à bord de l'ISS, on peut battre des records de temps d'existence d'un BEC pour les expériences qui intéressent les physiciens. Justement, les chercheurs annoncent qu'ils ont atteint une durée d'une seconde avec un BEC d'atomes de rubidium dans le cadre de l'expérience CAL, du jamais vu sur Terre !

Une autre présentation des condensats de Bose-Einstein et des expériences qui seront menées avec eux à bord de l'ISS. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © Nasa, Jet Propulsion Laboratory

Il y a de nombreuses applications possibles avec des BEC aussi stables et froids que ceux désormais possibles à bord de l'ISS. Ils permettent de tester les principes de la mécanique quantique dans de nouvelles conditions. Ainsi, l'onde de matière collective, dans laquelle se transforment à basse température les ondes de matière individuelles des atomes de rubidium, doit pouvoir atteindre une taille que l'on peut considérer comme macroscopique, à savoir celle d'un cheveu, manifestant donc à  notre échelle un phénomène quantique. Voilà de quoi sonder la frontière toujours mal comprise entre le monde quantique et le monde classique.

De véritables lasers atomiques avec des condensats de Bose-Einstein permettraient de faire des mesures de temps et d'espace plus précises qu'avec les lasers photoniques ainsi que des expériences d'interférences qui dans tous ces cas pourraient révéler une nouvelle physique. Des expériences de ce genre ont ainsi été proposées pour tester le principe d’équivalence ou découvrir la nature de l’énergie noire. Les sensibilités attendues rendraient également l'interférométrie BEC intéressante pour la navigation par satellite, l'exploration et l'observation de la Terre.

  • On peut considérer l'état quantique appelé condensat de Bose-Einstein obtenu avec, en particulier, des atomes ultrafroids presque au zéro absolu comme un nouvel état de la matière.
  • Ce phénomène quantique oblige des atomes à se rassembler dans un seul état décrit par une onde de matière quantique. Son étude fine pourrait déboucher sur une nouvelle physique et de nouvelles technologies dans les domaines de la mesure et de l'information quantique.
  • Pour la première fois, une expérience baptisée CAL permet de faire des condensats de BE en orbite. Elle bénéficie ainsi d'effets de microgravité qui lui offrent de descendre encore en température et de pouvoir mieux étudier ces condensats. CAL est à bord de l'ISS et ce, pour trois ans.
Pour en savoir plus

Le point le plus froid de l'Univers est à bord de l'ISS

Article de Laurent Sacco publié le 27/12/2018

Une série d'expériences avec des atomes refroidis à presque un milliardième de kelvin est en cours depuis quelques mois à bord de l'ISS. Elle est destinée à battre un nouveau record dans le domaine des basses températures avec des condensats de Bose-Einstein. Elle pourrait ouvrir la porte à des mesures d'une précision inédite qui pourraient être la clé d'une nouvelle physique, dans le domaine de la gravitation ou de l'information quantique.

Futura l'avait annoncé dans le précédent article ci-dessous, l'expérience CAL (Cold Atom Laboratory) est en cours à bord de l'ISS qu'elle a rejointe le 21 mai 2018. C'est un véritable tour de force car, d'ordinaire, il faut des instruments occupant une pièce entière sur Terre pour produire un condensat de Bose-Einstein d’atomes ultrafroids. Or, dans le cas présent CAL a la taille d'un petit réfrigérateur et l'expérience est de surcroît pilotable depuis le sol. Plusieurs équipes de chercheurs pourront avoir accès à ce dispositif pour conduire différents types de recherches.

Des prix Nobel pilotent des condensats de Bose-Einstein à bord de l'ISS

CAL a déjà produit ses premiers résultats avec des atomes de rubidium piégés et refroidis avec des faisceaux lasers et un champ magnétique à une température de l'ordre de 100 nanokelvin, c'est-à-dire un dix millionième de kelvin. En ce qui concerne les basses températures, ce n'est pas encore le record que l'on peut atteindre dans un laboratoire terrestre avec un condensat de Bose-Einstein, mais c'est de bon augure pour CAL qui devrait justement permettre d'atteindre cette performance grâce aux conditions de micro-gravité à bord de l'ISS. Non seulement et pour cette raison, des températures encore plus basses devraient pouvoir être atteintes et ainsi permettre d'investiguer un nouveau territoire de la physique, en l'occurrence quantique, mais surtout, des condensats de Bose-Einstein pourraient être observables plus longtemps. En tout état de cause, il s'agit déjà de l'un des points les plus froids du cosmos observable puisque la température déjà atteinte est bien inférieure à la température du rayonnement fossile qui baigne et chauffe tout dans l'univers (environ 2,72 kelvins).

Après quelques mois nécessaires à la prise en main du matériel pour vérifier son comportement dans l'espace, ce qui est indispensable pour interpréter correctement les résultats des expériences à mener, CAL a donc débuté depuis peu sa chasse à la nouvelle physique et aux nouvelles technologies. Devraient en découler d'intéressantes découvertes concernant la gravitation ou la manière de s'y prendre pour faire des ordinateurs quantiques. Parmi les équipes de recherche à pied d'œuvre, se trouvent deux groupes menés par les premiers physiciens à avoir obtenu des condensats de Bose-Einstein d'atomes en laboratoire en 1995 : les prix Nobel de physique, Eric Cornell et Wolfgang Ketterle, lauréats de ce prix prestigieux en 2001, avec le physicien Carl Wieman, tous les trois justement pour avoir validé une prédiction théorique remontant aux travaux de Satyendra Nath Bose et Albert Einstein sur les gaz de certaines particules en 1924.

Les expériences à bord de l'ISS avec CAL devraient durer au moins trois ans et, outre des atomes de rubidium, plusieurs isotopes du potassium seront utilisés.

Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ».© Nasa Jet Propulsion Laboratory


Le point le plus froid de l'univers sera à bord de l'ISS

Article de Laurent Sacco publié le 10/03/2017

Une expérience, qui partira bientôt pour l'ISS, devrait permettre d'atteindre un nouveau record dans le domaine des basses températures avec des condensats de Bose-Einstein. Peut-être donnera-t-elle accès à une nouvelle physique ?

Le Cold Atom Laboratory (CAL), un ensemble d'instruments destinés à produire des atomes ultrafroids et surtout des condensats de Bose-Einstein aurait dû se trouver à bord de l'ISS en 2016 (voir l'article plus bas). Mais la Nasa vient de faire savoir que l'expérience développée par le JPL de Pasadena ne s'envolera pour la Station spatiale internationale qu'en août 2017. C'est la société SpaceX d'Elon Musk qui est chargée de son transfert dans l'espace via son cargo SpaceX CRS-12.

Comme nous l'expliquions en détail (voir aussi la vidéo ci-dessous), l'objectif principal est de créer dans l'espace le phénomène de condensation d'un gaz quantique prédit au cours des années 1920 par Albert Einstein à partir des travaux de son collègue, le physicien indien Satyendranath Bose.

Qu'est-ce qu'une condensation de Bose-Einstein ? © Vulgarisation, YouTube

Un milliardième de kelvin au-dessus du zéro absolu

Ce phénomène a été obtenu sur Terre la première fois avec un gaz d'atomes en 1995 par une équipe du laboratoire NIST/JILA (Boulder, Colorado, États-Unis), dirigée par Eric Cornell et Carl Wieman comme l'a montré un troisième chercheur, Wolfgang Ketterle. Pour cet exploit inédit, les trois hommes ont reçu en 2001 le prix Nobel de physique. Depuis, l'étude de divers condensats de Bose-Einstein (BEC) a été activement poursuivie en raison des fenêtres qu'ils ouvrent sur le monde quantique, en particulier avec le phénomène d'interférence des ondes de matière atomique. Il est possible alors d'avoir des franges d'interférences avec des atomes entiers comme s'ils étaient des photons ou des électrons dans des expériences du type de celle décrite par Richard Feynman dans son cours de physique quantique.

Dans le cas des expériences qui vont être conduites avec CAL, le but est d'obtenir, grâce à la micropesanteur, les BEC les plus froids jamais réalisés. Il est prévu d'atteindre le milliardième de kelvin au-dessus du zéro absolu. De plus, ces condensats résisteront plus longtemps. Au lieu de quelques fractions de seconde, comme dans les expériences actuelles, les BEC en micropesanteur devraient pouvoir être observés durant 5 à 10 secondes et, dans un futur proche, peut-être jusqu'à plusieurs minutes.

Une présentation de l'expérience avec un condensat de Bose-Einstein menée à bord de l'ISS. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ».© Nasa Jet Propulsion Laboratory

Cinq équipes de chercheurs ont obtenu du temps pour faire des expériences avec CAL, dont une qui a pour membre Eric Cornell. Les résultats de leurs recherches pourraient potentiellement conduire à des bonds technologiques dans le domaine des capteurs, des ordinateurs quantiques et des horloges atomiques.

Les résultats les plus fascinants concerneraient surtout de la nouvelle physique. Des expériences précises d'interférométrie atomique pourraient permettre par exemple de détecter directement de l'énergie noire et même d'en préciser la nature, comme l'a proposé le prix Nobel de physique Martin Perl. La théorie des champs de caméléons pourrait aussi être vérifiée.


Des BEC dans l'ISS pour battre le record des plus basses températures

Article de Laurent Sacco publié le 05/02/2014

La Nasa finance plusieurs expériences avec des atomes ultrafroids qui prendront place à bord de l'ISS en 2016. Il s'agira de produire dans des conditions de microgravité les fameux condensats de Bose-Einstein. Ces condensats pourraient révéler de nouveaux phénomènes quantiques, mais on attend surtout d'eux qu'ils servent à créer des technologies pour réaliser des mesures physiques de temps et d'accélération plus précises. En tout état de cause, on devrait pouvoir se rapprocher encore plus du zéro absolu lors de ces expériences.

En cherchant à comprendre les lois décrivant le spectre du rayonnement émis par un corps chaud, par exemple de la lave, Planck et Einstein ont pavé la voie conduisant à la découverte de la statistique de Bose-Einstein pour les photons et à celle des ondes de matière par Louis de Broglie. En 1925, en explorant les conséquences pour un gaz de particules de matière de la nouvelle statistique découverte par Bose pour décrire un gaz de photons, Einstein prédit théoriquement le phénomène aujourd'hui connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein (Bose-Einstein Condensate ou BEC en anglais).

La formation d'un condensat de Bose-Einstein, avec presque un million d'atomes de sodium, lors d'une expérience au MIT en 1995. En dessous d'une température critique Tc, les atomes se rassemblent dans un seul état quantique, comme l'indiquent les pics. © MIT, Wolfgang Ketterle

Il a fallu attendre 1995 pour que deux équipes de chercheurs réussissent à produire le premier BEC. Ils ont pour cela utilisé des atomes ultrafroids. Eric Cornell et Carl Wieman, de l'université du Colorado, sont parvenus à obtenir pendant quelques secondes un condensat de Bose-Einstein constitué de quelques milliers d'atomes de rubidium. Pour cela, ils ont abaissé une première fois leur température à l'aide d'un laser, puis se sont approchés encore plus du zéro absolu en laissant s'évaporer une partie du gaz dilué d'atomes froids contenu dans un piège magnétique. Indépendamment, Wolfgang Ketterle devait obtenir des résultats similaires avec son groupe de recherche au MIT. Les trois chercheurs se sont partagé le prix Nobel de physique en 2001 pour ces accomplissements.

Des atomes ultrafroids pour tester la relativité générale

Depuis lors, les BEC passionnent les chercheurs du monde entier, d'abord parce qu'ils permettent d'explorer de nouveaux territoires concernant les propriétés quantiques des particules, mais aussi parce qu'ils permettent la réalisation de lasers à atomes. Ceux-ci permettent de surpasser les performances atteintes avec les lasers à photons dans plusieurs domaines, comme la réalisation d'horloges atomiques et d'accéléromètres encore plus précis. Or, des progrès dans des mesures de temps et d'accélération ouvrent la porte à des tests susceptibles de révéler de la nouvelle physique, par exemple avec la gravitation.

Lorsqu'on refroidit suffisamment un gaz d'atomes, la taille des paquets d'ondes de matière associés à ces atomes augmente. On peut l'estimer avec ce qu'on appelle la longueur d'onde de de Broglie (λdB), qui décroît comme l'inverse de la racine carrée de la température. Il arrive un moment où la taille de ces paquets devient de l'ordre de la distance séparant les particules du gaz. Il se produit alors le phénomène de condensation de Bose-Einstein. Les paquets d'ondes se rassemblent en un seul état quantique, une seule onde de matière géante. © Wolfgang Ketterle, MIT

Condensat de Bose-Einstein et micropesanteur

La Nasa ne s'y est pas trompée. Elle vient d'ailleurs d'annoncer qu'elle allait financer plusieurs projets de recherche sur les BEC à bord de l'ISS dans le cadre de son programme Cold Atom Lab (CAL). Si tout va bien, un module permettant de réaliser des expériences avec des atomes ultrafroids et de produire des BEC partira pour l'espace en 2016. L'un des avantages des expériences en microgravité est qu'il est possible de descendre encore plus bas en température en laissant des atomes ultrafroids s'évaporer dans un piège magnétique. Les chercheurs envisagent en outre de battre un record dans le domaine de la physique des basses températures en atteignant 100 picokelvins, c'est-à-dire une température de l'ordre du dix milliardième de kelvin.

Sauf dans un éventuel laboratoire extraterrestre quelque part dans l'univers observable, le BEC à bord de l'ISS sera alors le point le plus froid du cosmos. En effet, le rayonnement fossile est à une température de 2,7 K.

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