Les minuscules « écumeurs » en forme de cône utilisés dans les expériences à la recherche de phénomènes chimiques-quantiques exotiques ressemblent aux mécanismes d'admission des moteurs d'avion, et ils remplissent des fonctions similaires :chacun dirige le flux de gaz - l'admission du moteur contrôle l'alimentation en air pour brûler le carburant, et le "skimmer" crée des faisceaux d'atomes ou de molécules volant à froid. Alors que les écumeurs sont un composant nécessaire des expériences atomiques et moléculaires depuis des décennies, ils étaient également connus pour imposer une limite fondamentale au nombre de particules que l'on pouvait emballer dans le faisceau. Cependant, Le professeur Edvardas Narevicius et son équipe du département de physique chimique du Weizmann Institute of Science ont maintenant révélé un moyen simple de surmonter cette limite.

Des expériences à faisceau froid sont menées dans des laboratoires du monde entier pour observer les atomes et les molécules se comporter de manière quantique - comme, par exemple, ondes qui interfèrent les unes avec les autres. Ajout de poutres ensemble, comme Narevicius et son groupe le font dans leur laboratoire, crée des réactions chimiques nouvelles et intéressantes.

Narevicius explique que le refroidissement extrême nécessaire pour de telles expériences - proche du zéro absolu - est accompli en pulvérisant un gaz d'atomes ou de molécules à travers une petite buse dans une chambre à vide, de haute pression à presque aucune. Les atomes de l'expérience se sont dispersés, formant un nuage très froid d'atomes qui se déplacent très rapidement. Des écumeurs sont utilisés pour diriger certains de ces atomes dans un faisceau. "On pourrait penser, " dit Narevicius, "que si le gaz dans le bidon est à une pression plus élevée, et libère ainsi plus d'atomes à la fois dans la chambre à vide, le faisceau résultant aurait une densité plus élevée. Mais ce n'est pas le cas. Au-dessus d'une certaine pression, la densité se stabilise. Les chercheurs n'ont pas su dépasser cette limite, plaçant de nombreuses expériences intéressantes hors de portée."

"C'était un problème parfait pour mon élève, Yaïr Segev, " ajoute Narevicius. Segev est arrivé à l'Institut Weizmann avec une expertise en technologie et physique aérospatiales. En commençant par un algorithme utilisé par les ingénieurs aérospatiaux pour modéliser les écoulements à haute altitude, il a créé des simulations du flux de particules dans les skimmers. Ces simulations ont révélé l'existence d'ondes de choc au sein des cônes de skimmer, qui a bloqué le flux ultérieur de particules dans le faisceau. Ce phénomène résulte des interactions entre les particules du faisceau et le cône :les particules rebondissent sur le skimmer à des vitesses élevées, heurter et perturber le flux du faisceau. Les vitesses réfléchies élevées résultent du "chaud" (c'est-à-dire, température ambiante) surface du skimmer, Segev a donc essayé la simulation avec des skimmers refroidis. Les résultats ont montré une réduction significative des ondes de choc, ainsi que des faisceaux beaucoup plus denses derrière eux.

Ensuite, l'équipe a entrepris des expériences avec divers faisceaux moléculaires, refroidir leurs écumoires à des températures progressivement plus basses. La réalisation des tests avec du néon et d'autres types de plasma fluorescent leur a permis d'observer clairement les résultats colorés. Les chercheurs ont découvert que la forme des ondes de choc était considérablement modifiée et que la densité des faisceaux augmentait en effet avec le refroidissement du skimmer, culminant lorsque la température était inférieure à quelques dizaines de degrés au-dessus du zéro absolu - assez froid pour geler les atomes jusqu'à la pointe du cône et permettre ainsi au reste de s'écouler "sans ressentir aucune perturbation de l'écumoire, " dit Narevicius.

"Les ondes de choc dans et autour des skimmers s'avèrent être similaires à celles qu'un vaisseau spatial subit lorsqu'il franchit la frontière entre le vide de l'espace et la haute atmosphère, " dit Segev. " Dans les deux cas, supprimer la chaleur transférée entre la surface et le gaz peut changer radicalement la forme de l'écoulement. Dans le vaisseau spatial, nous voulons empêcher l'atmosphère de chauffer la coque, tandis que dans nos expériences, nous voulons empêcher le skimmer de chauffer nos faisceaux froids."