Des physiciens du Trinity College de Dublin ont proposé un thermomètre basé sur l'intrication quantique qui peut mesurer avec précision des températures un milliard de fois plus froides que celles de l'espace.

Ces températures ultra-froides apparaissent dans des nuages ​​d'atomes, appelés gaz de Fermi, qui sont créés par des scientifiques pour étudier le comportement de la matière dans des états quantiques extrêmes.

Les travaux ont été menés par l'équipe QuSys de Trinity avec des stagiaires postdoctoraux, Dr Mark Mitchison, Dr Giacomo Guarnieri et professeur John Goold, en collaboration avec le professeur Steve Campbell (UCD) et le Dr Thomas Fogarty et le professeur Thomas Busch travaillant à l'OIST, Okinawa, Japon.

Leurs résultats viennent d'être publiés en tant que suggestion de l'éditeur dans la prestigieuse revue Lettres d'examen physique .

Discuter de la proposition, Professeur Goold, chef du groupe QuSys de Trinity, explique ce qu'est un gaz ultra-froid. Il a dit:

"La manière standard dont un physicien pense à un gaz est d'utiliser une théorie connue sous le nom de mécanique statistique. Cette théorie a été inventée par des géants de la physique tels que Maxwell et Boltzmann au 19ème siècle. Ces gars ont fait revivre une vieille idée des philosophes grecs que les phénomènes macroscopiques, comme la pression et la température, pourrait être compris en termes de mouvement microscopique des atomes. Nous devons nous rappeler qu'à l'époque, l'idée que la matière était faite d'atomes était révolutionnaire."

Il poursuit :« À l'aube du 20e siècle, une autre théorie s'est concrétisée. C'est la mécanique quantique et c'est peut-être la théorie la plus importante et la plus précise que nous ayons en physique. Une prédiction célèbre de la mécanique quantique est que les atomes individuels acquièrent des caractéristiques ondulatoires, ce qui signifie qu'en dessous d'une température critique, ils peuvent se combiner avec d'autres atomes en une seule onde macroscopique aux propriétés exotiques. Cette prédiction a conduit à une quête expérimentale d'un siècle pour atteindre la température critique. Le succès est enfin au rendez-vous dans les années 90 avec la création des premiers gaz ultra-froids, refroidi avec des lasers (prix Nobel 1997) et piégé par de puissants champs magnétiques, un exploit qui lui a valu le prix Nobel en 2001."

Il a ajouté:"Des gaz ultra-froids comme ceux-ci sont maintenant régulièrement créés dans les laboratoires du monde entier et ils ont de nombreuses utilisations, allant du test des théories de la physique fondamentale à la détection des ondes gravitationnelles. Mais leurs températures sont incroyablement basses à nanokelvin et en dessous ! Juste pour vous donner une idée, un kelvin correspond à -272,15 degrés Celsius. Ces gaz sont un milliard de fois plus froids que cela – les endroits les plus froids de l'univers et ils sont créés ici même sur Terre. »

Alors, qu'est-ce qu'un gaz de Fermi exactement ? Il explique :« Toutes les particules de l'univers, y compris les atomes, viennent dans l'un des deux types appelés «bosons» et «fermions». Un gaz de Fermi comprend des fermions, du nom du physicien Enrico Fermi. A des températures très basses, les bosons et les fermions se comportent complètement différemment. Alors que les bosons aiment se regrouper, les fermions font le contraire. Ce sont les distanciateurs sociaux ultimes! Cette propriété rend en fait leur température difficile à mesurer."

Dr Mark Mitchison, le premier auteur de l'article, explique :« Traditionnellement, la température d'un gaz ultra-froid se déduit de sa densité :à des températures plus basses, les atomes n'ont pas assez d'énergie pour se disperser, rendre le gaz plus dense. Mais les fermions restent toujours éloignés, même à des températures ultra basses, Ainsi, à un moment donné, la densité d'un gaz de Fermi ne vous dit rien sur la température. Au lieu, nous avons proposé d'utiliser un autre type d'atome comme sonde. Disons que vous avez un gaz ultra-froid fait d'atomes de lithium. Vous prenez maintenant un atome différent, disons potassium, et trempez-le dans le gaz. Les collisions avec les atomes environnants modifient l'état de votre sonde de potassium et cela vous permet de déduire la température. Techniquement parlant, notre proposition consiste à créer une superposition quantique :un état étrange où l'atome sonde interagit et n'interagit pas simultanément avec le gaz. Nous avons montré que cette superposition évolue dans le temps d'une manière très sensible à la température."

Le Dr Giacomo Guarnieri donne l'analogie suivante :« Un thermomètre est juste un système dont les propriétés physiques changent avec la température de manière prévisible. Par exemple, vous pouvez prendre la température de votre corps en mesurant la dilatation du mercure dans un tube de verre. Notre thermomètre fonctionne de manière analogue, mais au lieu du mercure, nous mesurons l'état d'atomes isolés qui sont intriqués (ou corrélés) avec un gaz quantique."

Professeur Steve Campbell, UCD, remarque :« Ce n'est pas seulement une idée lointaine – ce que nous proposons ici peut en fait être mis en œuvre en utilisant la technologie disponible dans les laboratoires de physique atomique modernes. Qu'une telle physique fondamentale puisse être testée est vraiment incroyable. Parmi les différentes technologies quantiques émergentes, les capteurs quantiques comme notre thermomètre sont susceptibles d'avoir l'impact le plus immédiat, c'est donc un travail qui tombe à point nommé et il a été souligné par les éditeurs de Physical Review Letters pour cette raison."

Le professeur Goold ajoute :« En fait, l'une des raisons pour lesquelles cet article a été mis en évidence est précisément parce que nous avons effectué des calculs et des simulations numériques en nous concentrant particulièrement sur une expérience réalisée en Autriche et publiée il y a quelques années dans Science . Ici, le gaz de Fermi est un gaz dilué d'atomes de lithium piégés qui étaient en contact avec des impuretés de potassium. Les expérimentateurs sont capables de contrôler l'état quantique avec des impulsions radiofréquence et de mesurer des informations sur le gaz. Ce sont des opérations qui sont couramment utilisées dans d'autres technologies quantiques. Les échelles de temps accessibles sont tout simplement incroyables et seraient sans précédent dans les expériences traditionnelles de physique de la matière condensée. Nous sommes ravis que notre idée d'utiliser ces impuretés comme thermomètre quantique avec une précision exquise puisse être mise en œuvre et testée avec la technologie existante. »