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Des collisions d'atomes ultrafroids pour percer les secrets de l'Univers !

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Des chercheurs de l'Université de Penn State sont parvenus à mesurer, avec une précision record, le déphasage des ondes de matières résultant de la collision d'atomes de césium ultra-froids. La technique repose sur l'emploi d'une fontaine atomique du même type que celle que l'on retrouve dans certaines horloges atomiques. La performance ouvrirait la porte à la création de véritables lasers atomiques avec des condensats de Bose-Einstein.

Kurt Gibble dans son laboratoire de Penn State à côté de sa fontaine atomique.

On obtiendrait alors des mesures plus précises avec un gain de plusieurs ordres de grandeurs dans différents domaines de la physique et de la technologie. Ce qui, à son tour, révolutionnerait aussi bien nos théories sur l'Univers que des applications technologiques basées sur la supraconductivité à haute température ou la vitesse des circuits électroniques dans les ordinateurs.

C'est une des conséquences de la mécanique ondulatoire de Schrödinger qu'un atome entier voit le mouvement de son centre de masse décrit par une fonction d'onde, comme pour le cas d'un électron autour d'un atome. Ainsi, des phénomènes de diffractions des ondes de matières associées aux atomes se manifestent-ils lors des collisions atomiques et même nucléaires.

Les ondes de matières de paquets de particules, comme des noyaux α et des deutérons, subissent donc des déphasages lors de leurs passages dans la zone où règne un champ de forces nucléaires. Ce qui est bien la condition permettant à des phénomènes de diffractions et d'interférences de se manifester.

La théorie générale des collisions de particules en mécanique quantique s'appelle aussi la théorie de la diffusion (scattering theory en anglais). Celle-ci a été intensivement étudiée et développée, car elle connecte les déphasages subis par les ondes de matières des particules, atomes et noyaux avec la forme précise des lois à l'origine des forces s'exerçant entre ces corps, ainsi qu'à leur disposition dans une structure, comme un solide ou un liquide.

On comprend donc aisément que tout nouveau progrès important dans la théorie de la diffusion pourrait avoir des conséquences incalculables. Des mesures ultra-précises de certaines constantes physiques fondamentales, ou associées à des phénomènes importants comme les processus à l'origine de la supraconductivité à haute température, découleraient, par exemple, d'une amélioration de la détermination des déphasages lors des collisions.

Le physicien Kurt Gibble a alors eu l'idée d'utiliser des atomes de césium ultra-froids entrant en collisions dans les fontaines atomiques. Si l'on compare chaque atome à une horloge, les collisions induisent des décalages entre ces horloges et, dans ces décalages, se trouvent codés des détails sur la structure de ces horloges et sur les événements survenus lors des collisions entre celles-ci. Ces décalages sont une bonne façon de se représenter les déphasages des ondes de matières.

Chaque atome est en fait une sorte de paquet d'ondes. Les chocs d'atomes sont par conséquent des collisions d'ondes entre-elles. Or, à de si basses températures, les ondes de matières des atomes de césium vont se comporter de façon particulière lors d'une collision. L'expérience a en fait consisté en paquets d'atomes formant une sorte de nuage, grossièrement sphérique, contenant environ un milliard de corps chacun.

Bien que la majeure partie d'entres eux vont passer les uns à côté des autres, comme si de rien n'était, une onde sphérique, analogue à celle d'un caillou tombant dans l'eau, est produite et entraîne une partie des atomes dans son mouvement. Ce genre d'onde de matière dans une collision quantique est baptisée d'ailleurs onde s et, en reprenant notre image d'horloge, les atomes de césium présents en son sein auront un décalage de leur horloge par rapport à celles du reste des atomes. Cette situation est représentée par le schéma suivant.

Crédits : Kurt Gibble, Penn State

Dans la fontaine atomique, les deux paquets d'atomes s'élèvent et passent à travers une cavité micro-onde mesurant un certain état quantique des atomes. Les atomes entrent alors en collision et retombent à travers la cavité (cf. le schéma ci-dessous). Celle-ci mesure un état quantique différent et, dans les deux cas, ces états peuvent être vus comme l'heure sur des horloges présentant des décalages. Lesquels décalages sont reliés aux déphasages des ondes de matières que l'on veut mesurer.

Crédits : Kurt Gibble, Penn State

Ces déphasages avec les ondes s sont importants lorsqu'on étudie des condensats de Bose-Einstein ou des gaz dégénérés de Fermi-Dirac. Un laser atomique avec les premiers permettrait de faire des mesures de temps et d'espace plus précises qu'avec les lasers photoniques. En s'en servant, les trajectoires des avions ou des satellite seraient encore mieux mesurées, tout comme des écarts infimes au champ de gravitation moyen à la surface de la Terre utilisés pour la prospection pétrolière.

Kurt Gibble va même plus loin, c'est la cosmologie et la théorie des cordes qui pourraient bénéficier de cette avancée !

En effet, une détermination plus fine du rapport de la masse du proton sur celle de l'électron permettrait de détecter un éventuel changement de celui-ci à l'échelle cosmique. Or, la théorie des cordes contient naturellement une telle possibilité !

Gibble précise d'ailleurs que son groupe et lui arrivent déjà à effectuer des mesures de ce genre dont la précision est comparable à celles que l'on a obtenues. Pour lui, un gain d'un facteur 100 dans un proche avenir est loin d'être impossible.

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