Le monde d'un atome est un monde de chaos et de chaleur aléatoires. A température ambiante, un nuage d'atomes est un gâchis frénétique, avec des atomes passant les uns contre les autres et entrant en collision, changeant constamment de direction et de vitesse.

De tels mouvements aléatoires peuvent être ralentis, et même complètement arrêté, en refroidissant drastiquement les atomes. À un cheveu au-dessus du zéro absolu, des atomes auparavant frénétiques se transforment en un état presque zombie, se déplaçant comme une formation ondulatoire, sous une forme quantique de matière connue sous le nom de condensat de Bose-Einstein.

Depuis que les premiers condensats de Bose-Einstein ont été produits avec succès en 1995 par des chercheurs du Colorado et par Wolfgang Ketterle et ses collègues du MIT, les scientifiques ont observé leurs étranges propriétés quantiques afin de mieux comprendre un certain nombre de phénomènes, y compris le magnétisme et la supraconductivité. Mais refroidir les atomes en condensats est lent et inefficace, et plus de 99% des atomes du nuage d'origine sont perdus dans le processus.

Maintenant, Les physiciens du MIT ont inventé une nouvelle technique pour refroidir les atomes en condensats, qui est plus rapide que la méthode conventionnelle et conserve une grande partie des atomes d'origine. L'équipe a utilisé un nouveau processus de refroidissement laser pour refroidir un nuage d'atomes de rubidium de la température ambiante à 1 microkelvin, ou moins d'un millionième de degré au-dessus du zéro absolu.

Avec cette technique, l'équipe a pu refroidir 2, 000 atomes, et de là, générer un condensat de 1, 400 atomes, en conservant 70 % du nuage d'origine. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Science .

"Les gens essaient d'utiliser les condensats de Bose-Einstein pour comprendre le magnétisme et la supraconductivité, ainsi que de les utiliser pour fabriquer des gyroscopes et des horloges atomiques, " dit Vladan Vuletić, le professeur Lester Wolfe de physique au MIT. "Notre technique pourrait commencer à accélérer toutes ces enquêtes."

Vuletić est l'auteur principal de l'article, qui comprend également le premier auteur et assistant de recherche Jiazhong Hu, ainsi que Zachary Vendeiro, Valentin Crépel, Alban Urvoy, et Wenlan Chen.

"Une petite fraction et un gros inconvénient"

Les scientifiques ont traditionnellement créé des condensats de Bose-Einstein grâce à une combinaison de refroidissement par laser et de refroidissement par évaporation. Le processus commence généralement par projeter des faisceaux laser dans plusieurs directions sur un nuage d'atomes. Les photons du faisceau agissent comme de minuscules balles de ping-pong, rebondir beaucoup plus gros, atomes de la taille d'un ballon de basket, et en les ralentissant un peu à chaque collision. Les photons du laser agissent également pour comprimer le nuage d'atomes, limitant leur mouvement et les refroidissant dans le processus. Mais les chercheurs ont découvert qu'il y a une limite à la capacité d'un laser à refroidir les atomes :plus un nuage devient dense, moins il y a de place pour que les photons se dispersent; au lieu de cela, ils commencent à générer de la chaleur.

A ce stade du processus, les scientifiques éteignent généralement la lumière et passent au refroidissement par évaporation, que Vuletić décrit comme « comme refroidir une tasse de café – vous attendez simplement que les atomes les plus chauds s'échappent ». Mais il s'agit d'un processus lent qui élimine finalement plus de 99% des atomes d'origine afin de conserver les atomes suffisamment froids pour se transformer en condensats de Bose-Einstein.

"À la fin, il faut partir de plus de 1 million d'atomes pour obtenir un condensat composé de seulement 10, 000 atomes, " dit Vuletić. "C'est une petite fraction et un gros inconvénient."

Accorder une torsion

Vuletić et ses collègues ont trouvé un moyen de contourner les limitations initiales du refroidissement laser, pour refroidir les atomes en condensats à l'aide de la lumière laser du début à la fin - une méthode beaucoup plus rapide, approche de conservation des atomes qu'il décrit comme un "rêve de longue date" parmi les physiciens du domaine.

"Ce que nous avons inventé, c'est une nouvelle tournure de la méthode pour la faire fonctionner à des densités [atomiques] élevées, " dit Vuletić.

Les chercheurs ont utilisé des techniques de refroidissement laser conventionnelles pour refroidir un nuage d'atomes de rubidium juste au-dessus du point auquel les atomes sont tellement comprimés que les photons commencent à chauffer l'échantillon.

Ils sont ensuite passés à une méthode connue sous le nom de refroidissement Raman, dans lequel ils ont utilisé un ensemble de deux faisceaux laser pour refroidir davantage les atomes. Ils ont accordé le premier faisceau pour que ses photons, lorsqu'il est absorbé par les atomes, transformé l'énergie cinétique des atomes en énergie magnétique. Les atomes, en réponse, ralenti et refroidi davantage, tout en conservant leur énergie totale d'origine.

L'équipe a ensuite dirigé un deuxième laser vers le nuage très compressé, qui a été réglé de telle manière que les photons, lorsqu'il est absorbé par les atomes les plus lents, enlevé l'énergie totale des atomes, en les refroidissant encore plus.

"En fin de compte, les photons enlèvent l'énergie du système dans un processus en deux étapes, " dit Vuletić. " En une seule étape, vous supprimez l'énergie cinétique, et dans la deuxième étape, vous supprimez l'énergie totale et réduisez le désordre, ce qui signifie que vous l'avez refroidi.

Il explique qu'en supprimant l'énergie cinétique des atomes, on supprime essentiellement leurs mouvements aléatoires et la transition des atomes dans plus d'un uniforme, comportement quantique ressemblant aux condensats de Bose-Einstein. Ces condensats peuvent finalement prendre forme lorsque les atomes ont perdu leur énergie totale et se sont suffisamment refroidis pour résider dans leurs états quantiques les plus bas.

Pour arriver à ce point, les chercheurs ont découvert qu'ils devaient aller plus loin pour refroidir complètement les atomes en condensats. Faire cela, ils avaient besoin d'éloigner les lasers de la résonance atomique, ce qui signifie que la lumière pourrait plus facilement s'échapper des atomes sans les bousculer et les chauffer.

"Les atomes deviennent presque transparents aux photons, " dit Vuletić.

Cela signifie que les photons entrants sont moins susceptibles d'être absorbés par les atomes, déclenchant des vibrations et de la chaleur. Au lieu, chaque photon rebondit sur un seul atome.

"Avant, quand un photon est entré, il a été dispersé par, dire, 10 atomes avant sa sortie, donc il a fait une gigue de 10 atomes, " dit Vuletić. " Si vous éloignez le laser de la résonance, maintenant, le photon a de bonnes chances de s'échapper avant de toucher un autre atome. Et il s'avère qu'en augmentant la puissance du laser, vous pouvez ramener le taux de refroidissement d'origine."

L'équipe a découvert qu'avec sa technique de refroidissement au laser, ils ont pu refroidir les atomes de rubidium de 200 microkelvin à 1 microkelvin en seulement 0,1 seconde, dans un processus 100 fois plus rapide que la méthode conventionnelle. Quoi de plus, l'échantillon final du groupe de condensats Bose-Einstein contenait 1, 400 atomes, à partir d'un nuage original de 2, 000, en conservant une fraction beaucoup plus importante d'atomes condensés par rapport aux méthodes existantes.

"Quand j'étais étudiant diplômé, les gens avaient essayé de nombreuses méthodes différentes en utilisant simplement le refroidissement laser, et ça n'a pas marché, et les gens ont abandonné. C'était un rêve de longue date de simplifier ce processus, plus rapide, plus robuste, " dit Vuletić. " Nous sommes donc très enthousiastes à l'idée d'essayer notre approche sur de nouvelles espèces d'atomes, et nous pensons que nous pouvons l'obtenir pour le faire faire 1, Des condensats mille fois plus gros dans le futur."