Les lasers produisent des ondes lumineuses cohérentes :Toute la lumière à l'intérieur d'un laser vibre complètement en synchronisation. Pendant ce temps, la mécanique quantique nous dit que les particules comme les atomes doivent également être considérées comme des ondes. En conséquence, nous pouvons construire des "lasers à atomes" contenant des ondes cohérentes de matière. Mais peut-on faire durer ces ondes de matière, pour qu'elles puissent être utilisées dans des applications ? Dans une recherche publiée dans Nature cette semaine, une équipe de physiciens d'Amsterdam montre que la réponse à cette question est affirmative.

Faire en sorte que les bosons marchent de manière synchronisée

Le concept qui sous-tend le laser à atomes est ce qu'on appelle le condensat de Bose-Einstein, ou BEC en abrégé. Les particules élémentaires dans la nature se présentent sous deux types :les fermions et les bosons. Les fermions sont des particules comme les électrons et les quarks, les éléments constitutifs de la matière dont nous sommes faits. Les bosons sont de nature très différente :ils ne sont pas durs comme les fermions, mais mous :par exemple, ils peuvent se traverser sans problème. L'exemple le plus connu de boson est le photon, la plus petite quantité de lumière possible. Mais les particules de matière peuvent aussi se combiner pour former des bosons – en fait, des atomes entiers peuvent se comporter comme des particules de lumière. Ce qui rend les bosons si spéciaux, c'est qu'ils peuvent tous être exactement dans le même état au même moment, ou exprimés en termes plus techniques, ils peuvent se "condenser" en une onde cohérente. Lorsque ce type de condensation se produit pour les particules de matière, les physiciens appellent la substance résultante un condensat de Bose-Einstein.

Dans la vie de tous les jours, nous ne connaissons pas du tout ces condensats. La raison :il est très difficile de faire en sorte que les atomes se comportent tous comme un seul. Le coupable qui détruit la synchronicité est la température - lorsqu'une substance se réchauffe, les particules constitutives commencent à s'agiter et il devient pratiquement impossible de les faire se comporter comme une seule. Ce n'est qu'à des températures extrêmement basses, environ un millionième de degré au-dessus du zéro absolu (environ 273 degrés en dessous de zéro sur l'échelle Celsius), qu'il y a une chance de former les ondes de matière cohérentes d'un BEC.

Sursauts fugaces

Il y a un quart de siècle, les premiers condensats de Bose-Einstein étaient créés dans les laboratoires de physique. Cela a ouvert la possibilité de construire des lasers à atomes - des appareils qui produisent littéralement des faisceaux de matière - mais ces appareils n'ont pu fonctionner que pendant une très courte période. Les lasers pouvaient produire des impulsions d'ondes de matière, mais après avoir envoyé une telle impulsion, un nouveau BEC devait être créé avant que l'impulsion suivante puisse être envoyée. Pour un premier pas vers un laser à atome, ce n'était quand même pas mal. En fait, les lasers optiques ordinaires étaient également fabriqués dans une variante pulsée avant que les physiciens ne puissent créer des lasers continus. Mais alors que les développements pour les lasers optiques étaient allés très vite, le premier laser continu étant produit dans les six mois après son homologue pulsé, pour les lasers à atomes, la version continue est restée insaisissable pendant plus de 25 ans.

Le problème était clair :les BEC sont très fragiles et sont rapidement détruits lorsque la lumière tombe dessus. Or la présence de lumière est cruciale dans la formation du condensat :pour refroidir une substance au millionième de degré, il faut refroidir ses atomes à l'aide de la lumière laser. En conséquence, les BEC étaient limités à des rafales éphémères, sans aucun moyen de les maintenir de manière cohérente.

Un cadeau de Noël

Une équipe de physiciens de l'Université d'Amsterdam a maintenant réussi à résoudre le problème difficile de la création d'un condensat Bose-Einstein continu. Florian Schreck, le chef d'équipe, explique ce qu'était le truc. "Dans les expériences précédentes, le refroidissement progressif des atomes se faisait en un seul endroit. Dans notre configuration, nous avons décidé d'étaler les étapes de refroidissement non pas dans le temps, mais dans l'espace :nous faisons bouger les atomes pendant qu'ils progressent à travers des étapes de refroidissement consécutives. Dans Au final, des atomes ultra-froids arrivent au cœur de l'expérience, où ils peuvent être utilisés pour former des ondes de matière cohérentes dans un BEC. Mais pendant que ces atomes sont utilisés, de nouveaux atomes sont déjà en route pour reconstituer le BEC. De cette façon nous pouvons poursuivre le processus—essentiellement pour toujours."

Alors que l'idée sous-jacente était relativement simple, sa réalisation ne l'était certainement pas. Chun-Chia Chen, premier auteur de la publication dans Nature , se souvient :"Déjà en 2012, l'équipe, alors toujours à Innsbruck, a réalisé une technique qui permettait de protéger un BEC de la lumière de refroidissement laser, permettant pour la première fois un refroidissement laser jusqu'à l'état dégénéré nécessaire aux ondes cohérentes. Alors qu'il s'agissait d'une première étape critique vers le défi de longue date de la construction d'un laser à atome continu, il était également clair qu'une machine dédiée serait nécessaire pour aller plus loin. foi, des fonds empruntés, une salle vide et une équipe entièrement financée par des subventions personnelles. Six ans plus tard, aux premières heures du matin de Noël 2019, l'expérience était enfin sur le point de fonctionner. Nous avons eu l'idée d'ajouter un faisceau laser supplémentaire pour résoudre une dernière difficulté technique, et instantanément chaque image que nous avons prise montrait un BEC, le premier BEC à onde continue."

Après avoir abordé le problème ouvert de longue date de la création d'un condensat de Bose-Einstein continu, les chercheurs se sont maintenant concentrés sur le prochain objectif :utiliser le laser pour créer un faisceau de sortie stable de matière. Une fois que leurs lasers pourront non seulement fonctionner indéfiniment, mais aussi produire des faisceaux stables, plus rien ne s'opposera aux applications techniques, et les lasers à matière pourraient commencer à jouer un rôle aussi important dans la technologie que les lasers ordinaires le font actuellement. + Explorer plus loin

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