Pendant des années, les scientifiques ont cherché des moyens de refroidir les molécules à des températures ultrafroides, à quel point les molécules devraient ralentir à un rampement, permettant aux scientifiques de contrôler avec précision leur comportement quantique. Cela pourrait permettre aux chercheurs d'utiliser des molécules comme des bits complexes pour l'informatique quantique, régler des molécules individuelles comme de minuscules boutons pour effectuer plusieurs flux de calculs à la fois.

Alors que les scientifiques ont des atomes sur-refroidis, faire de même pour les molécules, qui sont plus complexes dans leur comportement et leur structure, s'est avéré être un défi beaucoup plus important.

Maintenant, les physiciens du MIT ont trouvé un moyen de refroidir les molécules de sodium-lithium jusqu'à 200 milliardièmes de Kelvin, juste un cheveu au-dessus du zéro absolu. Ils l'ont fait en appliquant une technique appelée refroidissement par collision, dans lequel ils ont immergé des molécules de lithium sodique froid dans un nuage d'atomes de sodium encore plus froids. Les atomes ultrafroids ont agi comme un réfrigérant pour refroidir encore plus les molécules.

Le refroidissement par collision est une technique standard utilisée pour refroidir les atomes à l'aide d'autres, atomes plus froids. Et depuis plus d'une décennie, les chercheurs ont tenté de surrefroidir un certain nombre de molécules différentes en utilisant le refroidissement par collision, pour découvrir que lorsque des molécules entrent en collision avec des atomes, ils ont échangé de l'énergie de telle manière que les molécules ont été chauffées ou détruites dans le processus, dites « mauvaises » collisions.

Dans leurs propres expériences, les chercheurs du MIT ont découvert que si les molécules de sodium-lithium et les atomes de sodium tournaient de la même manière, ils pourraient éviter de s'autodétruire, et plutôt engagé dans de "bonnes" collisions, où les atomes emportaient l'énergie des molécules, sous forme de chaleur. L'équipe a utilisé un contrôle précis des champs magnétiques et un système complexe de lasers pour chorégraphier la rotation et le mouvement de rotation des molécules. À la suite, le mélange atome-molécule avait un rapport élevé de collisions bonnes à mauvaises et a été refroidi de 2 microkelvins à 220 nanokelvins.

"Le refroidissement par collision a été le cheval de bataille pour refroidir les atomes, " ajoute le lauréat du prix Nobel Wolfgang Ketterle, le professeur de physique John D. Arthur au MIT. "Je n'étais pas convaincu que notre plan fonctionnerait, mais comme nous ne le savions pas avec certitude, nous devions l'essayer. Nous savons maintenant qu'il fonctionne pour refroidir les molécules de sodium-lithium. Reste à voir si cela fonctionnera pour d'autres classes de molécules."

leurs découvertes, publié dans la revue La nature , C'est la première fois que des chercheurs utilisent avec succès le refroidissement par collision pour refroidir des molécules à des températures de nanokelvin.

Les coauteurs de Ketterle sur l'article sont l'auteur principal Hyungmok Son, un étudiant diplômé du département de physique de l'Université Harvard, avec Juliana Park, étudiante diplômée en physique du MIT, et Alain Jamison, professeur de physique à l'Université de Waterloo et chercheur invité au Laboratoire de recherche en électronique du MIT.

Atteindre des températures ultra basses

Autrefois, les scientifiques ont découvert que lorsqu'ils essayaient de refroidir des molécules à des températures ultrafroides en les entourant d'atomes encore plus froids, les particules sont entrées en collision de telle sorte que les atomes ont conféré une énergie supplémentaire ou une rotation aux molécules, les envoyant voler hors du piège, ou s'autodétruire tous ensemble par des réactions chimiques. Les chercheurs du MIT se sont demandé si les molécules et les atomes, ayant le même tour, pourrait éviter cet effet, et restent ultrafroids et stables en conséquence. Ils ont cherché à tester leur idée avec du sodium lithium, une molécule "diatomique" que le groupe de Ketterle expérimente régulièrement, constitué d'un atome de lithium et d'un atome de sodium.

"Les molécules de sodium-lithium sont assez différentes des autres molécules que les gens ont essayées, " dit Jamison. " Beaucoup de gens s'attendaient à ce que ces différences rendent le refroidissement encore moins susceptible de fonctionner. Cependant, nous avions le sentiment que ces différences pouvaient être un avantage plutôt qu'un inconvénient."

Les chercheurs ont affiné un système de plus de 20 faisceaux laser et divers champs magnétiques pour piéger et refroidir les atomes de sodium et de lithium dans une chambre à vide, jusqu'à environ 2 microkelvins - une température que Son dit est optimale pour que les atomes se lient ensemble sous forme de molécules de sodium et de lithium.

Une fois que les chercheurs ont pu produire suffisamment de molécules, ils brillaient des faisceaux laser de fréquences et de polarisations spécifiques pour contrôler l'état quantique des molécules et des champs micro-ondes soigneusement réglés pour faire tourner les atomes de la même manière que les molécules. « Ensuite, nous rendons le réfrigérateur de plus en plus froid, " dit Fils, se référant aux atomes de sodium qui entourent le nuage des molécules nouvellement formées. "On baisse la puissance du laser de piégeage, rendre le piège optique de plus en plus lâche, qui fait baisser la température des atomes de sodium, et refroidit davantage les molécules, à 200 milliardièmes de kelvin."

Le groupe a observé que les molécules pouvaient rester à ces températures ultrafroides jusqu'à une seconde. « Dans notre monde, une seconde est très longue, " dit Ketterle. " Ce que vous voulez faire avec ces molécules, c'est le calcul quantique et l'exploration de nouveaux matériaux, que tout peut être fait en de petites fractions de seconde."

Si l'équipe parvient à obtenir des molécules de sodium-lithium environ cinq fois plus froides que ce qu'elles ont obtenu jusqu'à présent, ils auront atteint un régime dit quantique dégénéré où les molécules individuelles deviennent indiscernables et leur comportement collectif est contrôlé par la mécanique quantique. Son et ses collègues ont des idées sur la façon d'y parvenir, ce qui nécessitera des mois de travail pour optimiser leur configuration, ainsi que l'acquisition d'un nouveau laser à intégrer dans leur configuration.

"Notre travail conduira à une discussion dans notre communauté sur les raisons pour lesquelles le refroidissement par collision a fonctionné pour nous mais pas pour les autres, " Son dit " Peut-être aurons-nous bientôt des prédictions sur la manière dont d'autres molécules pourraient être refroidies de cette manière. "