Faire en sorte que les atomes fassent ce que vous voulez n'est pas facile, mais c'est au cœur de nombreuses recherches révolutionnaires en physique.

La création et le contrôle du comportement de nouvelles formes de matière sont particulièrement intéressants et constituent un domaine de recherche actif. Notre nouvelle étude, publiée dans Physical Review Letters , a découvert une toute nouvelle façon de sculpter des atomes ultra-froids en différentes formes à l'aide de la lumière laser.

Les atomes ultrafroids, refroidis à des températures proches du zéro absolu (-273°C), intéressent beaucoup les chercheurs car ils leur permettent de voir et d'explorer des phénomènes physiques qui seraient autrement impossibles. À ces températures, plus froides que l'espace extra-atmosphérique, des groupes d'atomes forment un nouvel état de la matière (non solide, liquide ou gazeux) connu sous le nom de condensats de Bose-Einstein (BEC). En 2001, des physiciens ont reçu le prix Nobel pour avoir généré un tel condensat.

La caractéristique déterminante d'un BEC est que ses atomes se comportent très différemment de ce à quoi nous nous attendons normalement. Au lieu d'agir comme des particules indépendantes, elles ont toutes la même (très faible) énergie et sont coordonnées les unes avec les autres.

Ceci est similaire à la différence entre les photons (particules lumineuses) provenant du Soleil, qui peuvent avoir de nombreuses longueurs d'onde (énergies) différentes et osciller indépendamment, et ceux des faisceaux laser, qui ont tous la même longueur d'onde et oscillent ensemble.

Dans ce nouvel état de la matière, les atomes agissent beaucoup plus comme une seule structure ondulatoire que comme un groupe de particules individuelles. Les chercheurs ont pu démontrer des modèles d'interférence ondulatoires entre deux BEC différents et même produire des "gouttelettes de BEC" en mouvement. Ce dernier peut être considéré comme l'équivalent atomique d'un faisceau laser.

Gouttelettes en mouvement

Dans notre dernière étude, réalisée avec nos collègues Gordon Robb et Gian-Luca Oppo, nous avons étudié comment des faisceaux laser de forme spéciale peuvent être utilisés pour manipuler des atomes ultrafroids d'un BEC. L'idée d'utiliser la lumière pour déplacer des objets n'est pas nouvelle :lorsque la lumière tombe sur un objet, elle peut exercer une (très petite) force. Cette pression de rayonnement est le principe derrière l'idée des voiles solaires, où la force exercée par la lumière du soleil sur de grands miroirs peut être utilisée pour propulser un vaisseau spatial dans l'espace.

Dans cette étude, cependant, nous avons utilisé un type particulier de lumière qui est capable non seulement de "pousser" les atomes, mais aussi de les faire tourner, un peu comme une "clé optique". Ces faisceaux laser ressemblent à des anneaux brillants (ou des beignets) plutôt qu'à des points et ils ont un front d'onde torsadé (hélicoïdal), comme le montre l'image ci-dessous.

Dans les conditions correctes, lorsqu'une telle lumière tordue est projetée sur un BEC en mouvement, les atomes qu'il contient sont d'abord attirés vers l'anneau brillant avant d'être tournés autour de lui. Lorsque les atomes tournent, la lumière et les atomes commencent à former des gouttelettes qui orbitent dans la direction d'origine du faisceau laser avant d'être éjectées vers l'extérieur, loin de l'anneau.

Le nombre de gouttelettes est égal au double du nombre de torsions légères. En modifiant le nombre ou la direction des torsions dans le faisceau laser initial, nous avions un contrôle total sur le nombre de gouttelettes formées, ainsi que sur la vitesse et la direction de leur rotation ultérieure (voir l'image ci-dessous). Nous pourrions même empêcher les gouttelettes atomiques de s'échapper de l'anneau afin qu'elles continuent à orbiter beaucoup plus longtemps, produisant une forme de courant atomique ultra-froid.

Courants atomiques ultra-froids

Cette approche consistant à faire briller la lumière torsadée à travers des atomes ultrafroids ouvre une nouvelle et simple façon de contrôler et de sculpter la matière dans d'autres formes non conventionnelles et complexes.

L'une des applications potentielles les plus intéressantes des BEC est la génération de "circuits atomtroniques", où les ondes de matière des atomes ultrafroids sont guidées et manipulées par des champs optiques et/ou magnétiques pour former des équivalents avancés de circuits et dispositifs électroniques tels que des transistors et des diodes. Être capable de manipuler de manière fiable la forme d'un BEC aidera finalement à créer des circuits atomtroniques.

Nos atomes ultrafroids, agissant ici comme un "dispositif d'interférence quantique supraconducteur atomtronique", ont le potentiel de fournir des dispositifs bien supérieurs à l'électronique conventionnelle. En effet, les atomes neutres entraînent moins de perte d'informations que les électrons qui constituent normalement le courant. Nous avons également la possibilité de modifier plus facilement les fonctionnalités de l'appareil.

Le plus excitant, cependant, est le fait que notre méthode nous donne la possibilité de produire des circuits atomtroniques complexes qui seraient tout simplement impossibles à concevoir avec des matériaux normaux. Cela pourrait aider à concevoir des capteurs quantiques hautement contrôlables et facilement reconfigurables capables de mesurer de minuscules champs magnétiques qui seraient autrement incommensurables. De tels capteurs seraient utiles dans des domaines allant de la recherche fondamentale en physique à la découverte de nouveaux matériaux ou à la mesure des signaux du cerveau. + Explorer plus loin

Une manière simple de sculpter la matière en formes complexes

Cet article est republié de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article d'origine.