condensats de Bose-Einstein, souvent appelé le « cinquième état de la matière, " sont obtenus lorsque les atomes sont refroidis presque jusqu'au zéro absolu. Dans ces conditions, les particules n'ont plus d'énergie libre pour se déplacer les unes par rapport aux autres, et certaines de ces particules, appelés bosons, tombent dans les mêmes états quantiques et ne peuvent être distingués individuellement. À ce point, les atomes commencent à obéir à ce que l'on appelle les statistiques de Bose-Einstein, qui sont généralement appliqués à des particules identiques. Dans un condensat de Bose-Einstein, l'ensemble du groupe d'atomes se comporte comme s'il s'agissait d'un seul atome.
Les condensats de Bose-Einstein ont été prédits et calculés théoriquement par Satyendra Nath Bose et Albert Einstein en 1924, mais ce n'est qu'en 1995 qu'Eric A. Cornell, Carl E. Wieman et Wolfgang Ketterle ont réussi à en produire un en utilisant du gaz rubidium ultrafroid, pour lequel tous les trois ont reçu le prix Nobel de physique 2001.
Des recherches menées par une collaboration internationale ont récemment produit l'équivalent d'un condensat de Bose-Einstein utilisant le composé chimique chlorure de nickel. Plus important, Le traitement théorique des données a permis aux chercheurs d'obtenir un ensemble d'équations pouvant être appliquées à d'autres matériaux qui ne sont pas caractérisés comme des condensats de Bose-Einstein.
Armando Padouan Filho, Professeur ordinaire à l'Institut de physique de l'Université de São Paulo (IF-USP) au Brésil, participé à l'étude. "A des températures proches du zéro absolu et en présence d'un champ magnétique très intense, le chlorure de nickel se comporte comme un condensat de Bose-Einstein, de sorte que les propriétés d'un grand groupe d'atomes peuvent être décrites en utilisant une seule équation, une seule fonction d'onde, " a déclaré Padoue Filho.
Cette découverte rend possible des calculs qui seraient autrement impraticables. Par exemple, le moment magnétique d'un corps macroscopique peut théoriquement être calculé comme la somme des moments magnétiques de ses atomes, mais en pratique, ce calcul n'est pas faisable en raison du grand nombre d'atomes et d'interactions impliqués. "Une façon de résoudre le problème est d'utiliser les statistiques de la mécanique quantique. Dans ce cas, nous devons penser aux atomes non pas comme des points ou des solides mais comme des ondes, " a déclaré Padoue Filho.
Dans les bosons, c'est à dire., dans des matériaux qui obéissent aux statistiques de Bose-Einstein, toutes les ondes associées aux particules dont elles sont censées être constituées sont égales. Pendant ce temps, plus la température d'un matériau est basse, plus les longueurs d'onde de ses particules constituantes sont longues, et lorsque la température du matériau approche du zéro absolu, les longueurs d'onde augmentent jusqu'à ce que toutes les ondes se chevauchent. "Nous avons donc une situation où toutes les vagues sont égales et se chevauchent, et nous pouvons donc les représenter tous comme une seule vague. Émissions énergétiques et électriques, magnétique, thermique, les propriétés lumineuses et autres peuvent être calculées au moyen d'une seule fonction d'onde, " il expliqua.
Lorsque les chercheurs ont étudié le chlorure de nickel, ils ont découvert que lorsque le matériau était refroidi presque jusqu'au zéro absolu et soumis à un fort champ magnétique, ses atomes se comportaient comme des bosons et il pouvait donc être caractérisé comme un condensat de Bose-Einstein. "Le fait que les atomes puissent être perçus comme des ondes est une découverte expérimentale qui corrobore la théorie, alors que dire qu'ils forment un condensat de Bose-Einstein vient de l'application d'un instrument théorique pour expliquer les propriétés observées, " il a dit.
Les physiciens de l'Université de São Paulo (USP) étudient les propriétés magnétiques du chlorure de nickel depuis plus d'une décennie. « Dans certains matériaux, les moments magnétiques des atomes sont désordonnés à température ambiante mais ordonnés lorsque le matériau est refroidi. Nous avons découvert que cet ordre ne se produit pas dans le chlorure de nickel, mais à des températures très basses et en présence d'un champ magnétique élevé, il présente un moment magnétique induit, " a déclaré Padoue Filho.
L'enquête s'est déroulée en collaboration avec plusieurs institutions étrangères, comme le National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) à Los Alamos, ETATS-UNIS, et l'installation française du même nom à Grenoble (LNCMI), entre autres. Ces partenariats ont permis aux chercheurs d'atteindre des températures de l'ordre de 1 millikelvin - un millième de degré au-dessus du zéro absolu - et d'utiliser des techniques telles que la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour étudier la matière aux échelles atomique et subatomique. C'est ainsi que les chercheurs ont réussi à caractériser le chlorure de nickel ultrafroid comme un condensat de Bose-Einstein.
« En plus de ces expériences, notre collaboration a également produit un travail théorique cohérent, et nous sommes arrivés à un ensemble d'équations qui, avec quelques transpositions, peut être appliqué à d'autres matériaux en dehors des condensats, " a déclaré Paduan Filho. L'utilisation de ces équations offre d'excellentes perspectives non seulement pour la recherche fondamentale sur la structure de la matière mais aussi pour de futures applications technologiques, car de nombreux appareils du quotidien fonctionnent sur la base de propriétés magnétiques.
