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Exploit : un condensat de Bose-Einstein fait de lumière

ActualitéClassé sous :physique , photon , Nature

Les photons ont permis la découverte de la statistique de Bose-Einstein, utilisée pour comprendre la superfluidité et la supraconductivité. Appliquée à des atomes, cette statistique prévoyait la fameuse condensation de Bose-Einstein des atomes ultrafroids, observée en 1995. Pour la première fois, on a obtenu cette condensation avec des photons. De quoi, peut-être, imaginer de nouvelles familles de cellules solaires voire des cousins du laser...

Une photo de Satyandra Nath Bose vers 1925. © Domaine publique-wikipedia

En 1924, Albert Einstein reçoit une lettre dans laquelle se trouve la première description quantique exacte d'un gaz de photons. Dans cette lettre, se trouvait un article d'un jeune Indien, Satyendra Nath Bose, dont la publication avait été refusée par plusieurs journaux scientifiques. Père du concept de quanta de lumière et très au fait des problèmes de la jeune théorie quantique, Albert Einstein comprend immédiatement l'importance de la découverte du jeune physicien. Il traduit alors l'article et en obtient rapidement la publication.

Aujourd'hui, tous les étudiants en physique savent ce qu'est un boson, une particule décrite par la statistique de Bose-Einstein. Bien que découverte en liaison avec les photons d'Einstein, cette statistique s'applique en fait à plusieurs particules (et même aux atomes), pourvu qu'elles possèdent un moment cinétique (un spin), multiple entier de la constante de Planck.

Les premiers condensats de Bose-Einstein

Bien conscient de la généralité de la dualité onde-corpuscule, Einstein (qui a fait connaître la théorie de Louis de Broglie sur les ondes de matière) avait déjà considéré l'application de la nouvelle statistique à un gaz d'atomes idéal constitués de particules de Bose. Il en résultait qu'il devait se produire à très basse température une sorte de condensation dans laquelle tous les atomes se rassemblaient dans un même état quantique, comme s'ils ne formaient qu'un seul objet.

Cet état de condensation, avec une transition de phase, se manifeste sous la forme de la superfluidité et de la supraconductivité. Toutefois, l'application directe de la théorie d'Einstein ne peut pas vraiment être faite dans ces cas-là, car on n'est pas confronté à des particules sans interactions ou faiblement couplées. Ce n'est qu'en 1995 que de véritables condensats de Bose-Einstein (BEC pour Bose-Einstein Condensate en anglais) ont été obtenus avec des atomes de rubidium ultrafroids par Eric Cornell et Carl Wieman. Des BEC ont également été produits avec des atomes de sodium par Wolfgang Ketterle (récemment, c'est avec du calcium qu'on a obtenu un BEC). Les trois chercheurs recevront le prix Nobel de physique en 2001 pour ce travail.

Paradoxalement, la formation d'un BEC avec des photons est plus difficile à obtenir, elle semblait même quasiment impossible jusqu'à une publication dans Nature d'un article annonçant qu'un groupe de chercheurs de l'université de Bonn était bel et bien arrivé à cet exploit.

Une microcavité optique en 2D

Il est très facile de créer et de détruire des photons lors d'une expérience et le simple fait que le nombre de photons ne soit pas constant empêche un BEC de se former. Pour contourner cet obstacle, les chercheurs ont utilisé deux petits miroirs concaves séparés par 1,5 µm au maximum. La microcavité optique ainsi réalisée est vue par des photons rebondissant presque sans être absorbés par les surfaces des miroirs, comme s'ils vivaient dans un monde à deux dimensions. Remarquablement, les grains de lumière se comportent alors aussi comme s'ils possédaient une masse 10 milliards de fois plus petite que celle d'un atome de rubidium. On se retrouve dans une situation ressemblant à celle des expériences à très basses températures avec des atomes ultrafroids formant des BEC.

Ces photons ne sont pas à la même température et ils n'interagissent pas entre eux. Mais il suffit d'injecter des molécules de colorants dans la microcavité pour qu'ils échangent entre eux de la chaleur, par l'intermédiaire de multiples absorptions et émissions avec les molécules de colorant. Ils se refroidissent donc et tendent vers l'équilibre thermique.

Les photons pompés dans la cavité à l'aide d'un faisceau laser finissent par former un condensat de Bose-Einstein à température ambiante lors d'une transition quantique. On observe alors au centre de la microcavité une zone de lumière jaune intense, environnée par un gaz de photons plus diffus qui ne se sont pas condensés. Une étude du spectre de cette lumière confirme que l'on est bien en présence d'un BEC.

Pour Martin Weitz, l'un des auteurs de l'article de Nature, ce simple dispositif pourrait fonctionner, si l'on s'y prend bien, avec de la lumière issue du Soleil. Cela ouvrirait la porte à la réalisation de cellules solaires plus petites et même à des sources de lumière cohérente ne reposant pas sur l'effet laser.

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