Les avancées dans le domaine de la physique quantique sont souvent marquées par des découvertes fascinantes. Cette nouvelle avancée des chercheurs du MIT ne fait pas exception. Ces scientifiques ont en effet réussi à rapprocher deux couches d’atomes magnétiques ultra-froids à une proximité remarquable, révélant ainsi des phénomènes quantiques surprenants et jamais observés auparavant.
Comportement étrange
Le contexte de cette avancée est crucial pour en comprendre toute la portée. Considérons d’abord ce qui se passe lorsque les atomes sont refroidis à des températures extrêmement basses, proche du zéro absolu (-273,15°C).
À de telles températures, les mouvements thermiques des atomes deviennent presque négligeables, les forçant à occuper leur état quantique le plus bas, également appelé l’état fondamental. Les atomes se comportent alors selon les règles de la mécanique quantique, où les notions classiques de particules discrètes sont remplacées par descriptions probabilistes et de vagues.
Le condensat de Bose-Einstein est un phénomène quantique qui se produit lorsque les atomes refroidis à des températures ultra-basses se retrouvent tous dans le même état quantique, formant une sorte de « super-atome » où les frontières entre les particules individuelles deviennent floues. Contrairement à la matière ordinaire où chaque atome est distinct, dans un condensat de Bose-Einstein, les atomes se comportent ainsi collectivement comme une seule entité cohérente.
Ce comportement ondulatoire est l’une des caractéristiques les plus intrigantes de la physique quantique. Il montre comment les propriétés d’atomes individuels peuvent s’entremêler et se chevaucher pour former des phénomènes macroscopiques entièrement nouveaux. Cette capacité des particules à se comporter comme des ondes est essentielle pour comprendre de nombreux aspects de la physique quantique, notamment la supraconductivité, la superradiance et d’autres phénomènes avancés.
Plusieurs défis techniques
Cependant, l’étude des phénomènes quantiques présente des défis techniques importants, notamment en ce qui concerne les interactions entre particules. Ceux-ci sont particulièrement souvent sensibles à distance entre les particulesce qui peut compliquer les expériences et les observations.
Dans le cadre de l’étude mentionnée, les chercheurs se sont intéressés à atomes de dysprosium qui ont la particularité de pouvoir interagir sur de longues distances via des interactions dipôle-dipôle. Ce sont les faibles forces d’attraction qui se produisent entre les charges partielles des atomes adjacents. Contrairement à d’autres types d’interactions atomiques, telles que les interactions de Van der Waals qui décroissent rapidement avec la distance, les interactions dipôle-dipôle peuvent être ressenties sur de plus grandes distances.
Cependant, même avec cette capacité d’interagir à distance, les chercheurs sont confrontés à des difficultés pour étudier ces interactions quantiques à longue portée. La principale difficulté réside dans la nécessité de contrôler la distance entre les particules avec une extrême précision. Des variations minimes de la distance entre les atomes peuvent en effet avoir des effets significatifs sur leurs interactions quantiques.
Paires d’atomes distants de 50 nanomètres
Pour surmonter les obstacles techniques et étudier les effets quantiques à une échelle aussi précise, les chercheurs doivent donc utiliser des méthodes innovantes. Dans cette étude, l’équipe du MIT a trouvé une solution utilisant faisceaux laser focalisés à travers une lentille. Ces derniers forment un Point focal gaussien qui agit comme un piège à énergie pour les atomes. L’idée est de les confiner à l’intérieur afin de les maintenir en position.
Ce qui rend cette approche particulièrement ingénieuse est que les chercheurs ont utilisé deux faisceaux laser distincts pour piéger séparément la rotation ascendante et descendante des atomes de dysprosium. Ces faisceaux laser sont réglés sur des fréquences et des angles de polarisation légèrement différents, de sorte que chacun ne capte qu’une seule des rotations des atomes.
Cette technique permet aux chercheurs d’avoir un contrôle précis sur les bicouches des atomes de dysprosium en les gardant incroyablement proches les unes des autres. En contrôlant soigneusement les propriétés de la pince optique, l’équipe du MIT a réussi à rapprocher les deux rotations des atomes à une distance inférieure à 50 nanomètres de distancedix fois plus proche que lors des expériences précédentes. Cela a permis d’augmenter considérablement la force d’interaction entre les atomes, ouvrant la voie à une étude approfondie des effets quantiques à cette échelle.
Quelles implications ?
Cette proximité inédite a notamment révélé une série d’étranges effets quantiques, dont l’un des plus remarquables est le transfert de chaleur à travers le vide entre les deux couches d’atomes. Ce phénomène défie les attentes habituelles en matière de transfert de chaleur, démontrant la complexité des interactions quantiques à cette échelle.
L’étude des interactions quantiques entre ces bicouches d’atomes ne s’arrête pas là. Les chercheurs ont l’intention d’explorer de nouveaux aspects, notamment la manière dont ces bicouches interagir avec la lumière. Cette exploration est cruciale, car elle pourrait révéler des phénomènes encore inconnus et ouvrir la voie à de nouvelles applications technologiques.
L’un des aspects les plus intrigants est la possibilité de former Paires Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS). Ce sont des états liés quantiques qui se forment entre certaines particules subatomiques, appelées fermions, à très basse température. Dans ces paires, les fermions sont liés entre eux par des interactions quantiques, créant un état collectif qui se comporte différemment des particules individuelles.
La formation de ces paires BCS présente un intérêt particulier, car elle est étroitement liée à un phénomène bien connu : le supraconductivité. En effet, dans certains matériaux, lorsque les électrons forment des paires BCS, ils peuvent circuler à travers le matériau sans rencontrer de résistance électrique, créant ainsi un état de supraconductivité. Ce phénomène a des implications importantes dans divers domaines, notamment l’électronique, la technologie des capteurs et la transmission d’énergie.
Cette avancée scientifique marque un tournant dans notre compréhension des interactions quantiques à l’échelle nanométrique. En se rapprochant toujours plus de la manipulation fine de la matière à l’état ultra-froid, les chercheurs ouvrent la voie à de nouvelles applications technologiques, notamment dans le domaine de la supraconductivité. L’exploration de ces phénomènes sans précédent ne fait que commencer, offrant un aperçu d’un avenir où les frontières entre science fondamentale et innovations révolutionnaires pourraient devenir encore plus floues.
Les détails de l’étude sont publiés dans la revue Science.
