Lorsqu'un gaz hautement dilué est refroidi à des températures extrêmement basses, des propriétés bizarres sont révélées. Ainsi, certains gaz forment ce que l'on appelle un condensat de Bose-Einstein, un type de matière dans lequel tous les atomes se déplacent à l'unisson. Un autre exemple est la supersolidité :un état dans lequel la matière se comporte comme un fluide sans frottement avec une structure périodique. Les physiciens s'attendent à trouver des formes de matière quantique particulièrement diverses et révélatrices lors du refroidissement de gaz constitués de molécules polaires. Ils se caractérisent par une répartition inégale de la charge électrique. Contrairement aux atomes libres, ils peuvent tourner, vibrer et s'attirer ou se repousser. Cependant, il est difficile de refroidir des gaz moléculaires à des températures ultra-basses. Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique (MPQ) à Garching a maintenant trouvé un moyen simple et efficace de surmonter cet obstacle. Il est basé sur un champ tournant de micro-ondes.

Un processus comme dans une tasse de café

Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un gaz de molécules de sodium-potassium (NaK) confinées dans un piège optique par une lumière laser. Pour refroidir le gaz, l'équipe s'est appuyée sur une méthode qui s'est longtemps avérée efficace pour refroidir les atomes non liés :le refroidissement dit par évaporation. "Cette méthode fonctionne de manière similaire au processus familier, qui fait refroidir une tasse de café chaud", explique le Dr Xin-Yu Luo, chef du Laboratoire des molécules polaires ultrafroides de la Division des systèmes quantiques à plusieurs corps au MPQ. :Dans le café, les molécules d'eau entrent constamment en collision et échangent ainsi une partie de leur énergie cinétique. Si deux molécules particulièrement énergétiques entrent en collision, l'une d'entre elles peut devenir assez rapide pour s'échapper du café :elle s'échappe de la tasse. L'autre molécule reste avec moins d'énergie. C'est ainsi que le café se refroidit progressivement. De la même manière, un gaz peut être refroidi à quelques nanokelvins, soit des milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu à moins 273,15 degrés Celsius.

Cependant:"Si le gaz est constitué de molécules, celles-ci doivent en outre être stabilisées à des températures très basses", explique Luo. La raison réside dans la structure beaucoup plus complexe des molécules par rapport aux atomes non liés. Par conséquent, contrôler leurs mouvements lors de collisions est difficile. Les molécules peuvent s'agglutiner lors des collisions. De plus, "les molécules polaires se comportent comme de minuscules aimants qui peuvent s'emboîter, auquel cas elles sont perdues pour l'expérience", explique le Dr Andreas Schindewolf, qui mène des recherches dans l'équipe de Xin-Yu Luo. Ces difficultés se sont avérées être un énorme obstacle à la recherche ces dernières années.

Les micro-ondes séparent les molécules

Pour surmonter cet obstacle, les chercheurs de Garching se sont appuyés sur une astuce :l'application supplémentaire d'un champ électromagnétique spécialement préparé qui sert de bouclier énergétique aux molécules, les empêchant de se coller les unes aux autres. "Nous avons créé ce bouclier énergétique à l'aide d'un puissant champ de micro-ondes rotatif", explique Andreas Schindewolf. "Le champ fait tourner les molécules à une fréquence plus élevée." Si deux molécules se rapprochent trop l'une de l'autre, elles peuvent donc échanger de l'énergie cinétique, mais en même temps elles s'alignent de telle sorte qu'elles se repoussent et se séparent à nouveau rapidement.

Pour créer un champ micro-onde aux propriétés requises, les chercheurs ont placé une antenne hélicoïdale sous le piège optique contenant le gaz des molécules de sodium-potassium. "La vitesse à laquelle les molécules se sont imbriquées a ainsi été réduite de plus d'un ordre de grandeur", rapporte Xin-Yu Luo. De plus, sous l'influence du champ, une interaction électrique forte et à longue portée s'est développée entre les molécules. "En conséquence, ils se sont heurtés beaucoup plus fréquemment que sans le champ micro-ondes rotatif - en moyenne environ 500 fois par molécule", explique le physicien. "C'était suffisant pour refroidir le gaz près du zéro absolu par évaporation."

Un nouveau record de basse température

Après seulement un tiers de seconde, la température a atteint environ 21 nanokelvins, bien en dessous de la "température de Fermi" critique. Il marque la limite en dessous de laquelle les effets quantiques dominent le comportement d'un gaz et des phénomènes bizarres commencent à apparaître. "La température que nous avons atteinte est la plus basse jusqu'à présent dans un gaz de molécules polaires", se réjouit Luo. Et le chercheur de Max Planck pense qu'ils peuvent atteindre des températures encore plus basses grâce à des améliorations techniques apportées à la configuration expérimentale.

Les résultats pourraient avoir des conséquences considérables pour la recherche sur les effets quantiques et la matière quantique. "Étant donné que la nouvelle technique de refroidissement est si simple qu'elle peut également être intégrée dans la plupart des configurations expérimentales avec des molécules polaires ultra-froides, la méthode devrait bientôt trouver une application généralisée et contribuer à de nombreuses nouvelles découvertes", déclare le professeur Immanuel Bloch, Directeur de la division MPQ Systèmes quantiques à plusieurs corps. "Le refroidissement assisté par micro-ondes n'ouvre pas seulement une gamme de nouvelles recherches sur des états particuliers de la matière tels que les superfluides et les supersolides", explique Bloch. "De plus, cela pourrait être utile dans les technologies quantiques." Par exemple, dans les ordinateurs quantiques, où les données pourraient peut-être être stockées par des molécules ultra-froides. "Ce sont des moments vraiment passionnants pour les chercheurs travaillant sur des molécules polaires ultra-froides", déclare Xin-Yu Luo. + Explorer plus loin

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