Prédites d'abord par Albert Einstein, les condensats de Bose-Einstein représentent un étrange arrangement d'atomes qui n'a été vérifié dans les laboratoires qu'en 1995. Ces condensats sont des gaz cohérents, créés à des températures plus froides que partout dans la nature. Au sein de ces condensats, les atomes perdent leurs identités individuelles et fusionnent pour former ce que l'on appelle parfois un «super atome».

Théorie des condensats de Bose-Einstein

En 1924, Satyendra Nath Bose étudiait l'idée que la lumière voyageait en paquets minuscules, maintenant connus sous le nom de photons. Il a défini certaines règles pour leur comportement et les a envoyées à Albert Einstein. En 1925, Einstein a prédit que ces mêmes règles s'appliqueraient aux atomes parce qu'ils étaient aussi des bosons, ayant un spin entier. Einstein a élaboré sa théorie et a découvert qu'à presque toutes les températures, il y aurait peu de différence. Cependant, il a découvert qu'à des températures extrêmement froides, quelque chose de très étrange devait se produire - le condensat de Bose-Einstein.

Température de condensat de Bose-Einstein

La température est simplement une mesure du mouvement atomique. Les objets chauds se composent d'atomes qui se déplacent rapidement, tandis que les objets froids sont constitués d'atomes qui se déplacent lentement. Alors que la vitesse des atomes individuels varie, la vitesse moyenne des atomes reste constante à une température donnée. Lors de la discussion des condensats de Bose-Einstein, il est nécessaire d'utiliser l'échelle de température Absolute ou Kelvin. Le zéro absolu est égal à -459 degrés Fahrenheit, la température à laquelle tout mouvement cesse. Cependant, les condensats de Bose-Einstein ne se forment qu'à des températures inférieures à 100 millionsième de degré au-dessus du zéro absolu.

Formation des condensats de Bose-Einstein

Comme prévu par les statistiques de Bose-Einstein, à très basse température , la plupart des atomes dans un échantillon donné existent dans le même niveau quantique. Lorsque les températures approchent du zéro absolu, de plus en plus d'atomes descendent à leur niveau d'énergie le plus bas. Lorsque cela se produit, ces atomes perdent leur identité individuelle. Ils se superposent les uns aux autres, se fondant en une seule goutte atomique indiscernable, connue sous le nom de condensat de Bose-Einstein. La température la plus froide qui existe dans la nature se trouve dans l'espace profond, autour de 3 degrés Kelvin. Cependant, en 1995, Eric Cornell et Carl Wieman purent refroidir un échantillon de 2 000 atomes de Rubidium-87 à moins d'un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, générant pour la première fois un condensat de Bose-Einstein.

Comme les atomes se refroidissent, ils se comportent davantage comme des ondes et moins comme des particules. Lorsqu'elles sont suffisamment refroidies, leurs ondes se dilatent et commencent à se chevaucher. Ceci est similaire à la vapeur se condensant sur un couvercle lorsqu'il est bouilli. L'eau s'agglomère pour former une goutte d'eau ou de condensat. La même chose se produit avec les atomes, seulement ce sont leurs ondes qui fusionnent ensemble. Les condensats de Bose-Einstein sont similaires à la lumière laser. Cependant, au lieu que les photons se comportent d'une manière uniforme, ce sont les atomes qui existent en union parfaite. Comme une goutte d'eau se condensant, les atomes de basse énergie fusionnent pour former une masse dense et indiscernable. En 2011, les scientifiques commencent tout juste à étudier les propriétés inconnues des condensats de Bose-Einstein. Tout comme avec le laser, les scientifiques découvriront sans aucun doute de nombreux usages qui profiteront à la science et à l'humanité.