L'interférométrie atomique est la technique connue la plus sensible pour mesurer les forces gravitationnelles et les forces d'inertie telles que l'accélération et la rotation. C'est un pilier de la recherche scientifique et il est commercialisé comme moyen de localisation dans des environnements où le GPS n'est pas disponible. Il est également extrêmement sensible aux champs électriques et a été utilisé pour effectuer des mesures minutieuses des propriétés électriques fondamentales des éléments.

Les interféromètres atomiques les plus sensibles utilisent des états exotiques de la matière appelés condensats de Bose-Einstein. Dans le dernier numéro de Lettres d'examen physique , Des chercheurs du MIT présentent un moyen de rendre l'interférométrie atomique avec les condensats de Bose-Einstein encore plus précise, en éliminant une source d'erreur endémique aux conceptions antérieures.

Les interféromètres utilisant la nouvelle conception pourraient aider à résoudre certaines questions fondamentales en physique, comme la nature des états intermédiaires entre la description quantique de la matière, qui prévaut à très petite échelle, et la description newtonienne dont dépend l'ingénierie quotidienne.

"L'idée ici est que les condensats de Bose-Einstein sont en fait assez gros, " dit William Burton, un étudiant diplômé du MIT en physique et premier auteur de l'article. "Nous savons que les très petites choses agissent quantiquement, mais alors de grandes choses comme vous et moi n'agissent pas de manière très quantique. Nous pouvons donc voir à quelle distance nous pouvons étirer un système quantique tout en le faisant agir de manière cohérente lorsque nous le rassemblons. C'est une question intéressante."

Rejoindre Burton sur le papier sont son conseiller, professeur de physique Wolfgang Ketterle, qui a remporté le prix Nobel de physique 2001 pour ses travaux pionniers sur les condensats de Bose-Einstein, et quatre autres membres du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms, que Ketterle dirige.

Dépeçage des condensats

Les condensats de Bose-Einstein sont des amas d'atomes qui, lorsqu'il est refroidi presque au zéro absolu, tous habitent exactement le même état quantique. Cela leur confère un certain nombre de propriétés inhabituelles, parmi eux une sensibilité extrême aux perturbations par des forces extérieures.

Une approche courante pour construire un interféromètre à condensat de Bose-Einstein consiste à suspendre un nuage d'atomes - le condensat - dans une chambre, puis à y envoyer un faisceau laser pour produire une "onde stationnaire". Si une vague est considérée comme un gribouillis avec des creux et des crêtes réguliers, puis une onde stationnaire est produite lorsqu'une onde est exactement alignée avec sa réflexion. Les points zéro - les points de transition entre le creux et la crête - de l'onde et de sa réflexion sont identiques.

L'onde stationnaire divise le condensat en amas d'atomes de taille approximativement égale, chacun son propre condensat. Dans l'expérience des chercheurs du MIT, par exemple, l'onde stationnaire divise environ 20, 000 atomes de rubidium en 10 groupes d'environ 2, 000, chacun suspendu dans un "puits" entre deux points zéro de l'onde stationnaire.

Lorsque des forces extérieures agissent sur le condensat, le piège laser les empêche de bouger. Mais quand le laser est éteint, les condensats se dilatent, et leur énergie reflète les forces auxquelles ils ont été soumis. Faire briller une lumière à travers le nuage d'atomes produit un motif d'interférence à partir duquel cette énergie, et donc la force subie par les condensats, peut être calculé.

Cette technique a donné les mesures les plus précises des forces gravitationnelles et d'inertie jamais enregistrées. Mais il a un problème :la division du condensat en amas séparés n'est pas parfaitement uniforme. Un puits de l'onde stationnaire pourrait contenir, dire, 1, 950 atomes, et celui d'à côté 2, 050. Ce déséquilibre entraîne des différences d'énergie entre les puits qui introduisent des erreurs dans la mesure finale de l'énergie, limiter sa précision.

Numéro d'équilibriste

Pour résoudre ce problème, Burton, Ketterlé, et leurs collègues utilisent non pas un mais deux condensats comme point de départ de leur interféromètre. En plus de piéger les condensats avec un laser, ils les soumettent également à un champ magnétique.

Les deux condensats sont constitués d'atomes de rubidium, mais ils ont des "tours" différents, " une propriété quantique qui décrit leur alignement magnétique. L'onde stationnaire sépare les deux groupes d'atomes, mais un seul d'entre eux, les atomes spin-down, ressent le champ magnétique. Cela signifie que les atomes de l'autre groupe - les atomes de spin-up - sont libres de se déplacer de puits en puits de l'onde stationnaire.

Étant donné qu'un excès relatif d'atomes de spin-down dans un puits lui donne une légère augmentation d'énergie, il renversera certains de ses atomes de spin-up dans les puits voisins. Les atomes de spin-up se mélangent autour de l'onde stationnaire jusqu'à ce que chaque puits ait exactement le même nombre d'atomes. A la fin du processus, quand les énergies des atomes sont lues, les atomes spin-up corrigent les déséquilibres entre les atomes spin-down.

Les condensats de Bose-Einstein sont intéressants car ils présentent des effets quantiques à relativement grande échelle, et les descriptions quantiques des systèmes physiques reflètent généralement la dualité onde-particule - le fait que, à des échelles suffisamment petites, la matière présentera des comportements caractéristiques à la fois des particules et des ondes. Les condensats dans les expériences des chercheurs du MIT peuvent donc être considérés comme des ondes, avec leurs propres longueurs d'onde, amplitude, et phases.

Pour faire de l'interférométrie atomique, les amas d'atomes piégés par le laser doivent tous être en phase, ce qui signifie que les creux et les crêtes de leurs vagues sont alignés. Les chercheurs ont montré que leur méthode de "blindage" maintenait les condensats en phase beaucoup plus longtemps qu'il n'était possible auparavant, ce qui devrait améliorer la précision de l'interférométrie atomique.

"L'une des grandes attentes des condensats de Bose-Einstein [BEC], qui a été souligné dans la citation Nobel, était qu'elles donneraient lieu à des candidatures, " dit Dominik Schneble, professeur agrégé de physique à l'Université Stony Brook. "Et l'une de ces applications est l'interférométrie atomique."

"Mais les interactions entre BEC donnent essentiellement lieu à des déphasages, qui ne peut pas être très bien contrôlé, " Schneble dit. "Une approche a été de désactiver les interactions. Dans certains éléments, on peut très bien le faire. Mais ce n'est pas une propriété universelle. Ce qu'ils font dans cet article, c'est qu'ils disent, « Nous acceptons le fait que les interactions soient là, mais nous utilisons des interactions telles que non seulement ce n'est pas un problème mais résout également d'autres problèmes.' C'est très élégant et très intelligent. Il s'adapte à la situation comme un gant naturel."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.