Ne pouvant m' esquiver de ma participation au Physics worldhebdomadaireje choisis de vous traduire en premierl’article sur les condensats deBOSEEINSTEIN, ces fameuxBECdont les propriétés intrigantes inclinent certains physiciens universitaires ou non ( voyez l’usage qu’en fait DOMINIQUE MAREAU) a les faire intervenir comme le sel et le poivre un peu partout dans la genèseet le fonctionnement de notre univers … «Bose–Einstein condensate is in the can »…. Mais vous aurez droitensuite aussi en primeau commentaire du physicien desCORDES que je reste encore
« Le calcul des propriétés d'une particule quantique enfermé dans une boîte c’ est maintenant quelque chose que la plupart des étudiants en physique ont à faire dans le cadre de leur cursus - mais créer réellement un tel système simple aulaboratoire peut relever aussi d’ un défi expérimental. Recemment, cependant, des physiciens du Royaume-Uni ont été les premiers à créer un condensat Bose-Einstein (BEC) dans un piège optique – une box 3D, qui ressemble à une boîte de conserve. La percée pourrait permettre aux physiciens d'étudier une gamme de phénomènes physiques à multi-corps dans des conditions contrôlées.
Le premier BEC a étéréalisé en 1995 dans les travaux gagnants d’un prix Nobel et qui a impliqué le refroidissement d'un nuage d’atomes de rubidium-87 à des températuresprès du zéro absolu. Les atomes se déposent dans un état quantique qui s'étend sur un volume macroscopique, ce qui signifie que le BEC se comporte comme une sortedesuperfluide. Outre de rester fascinant danscepropre droit à un nouvel état de la matière, les BEC sont intéressants car ils sont créés dans des conditions très contrôlées, ce qui leur permet d'être alors manipulés pour ressembler à une variété précise de phénomènes quantiques variés .
Plus tôt cette année, par exemple, les physiciens ont réalisé une expérience dans laquelle un BEC s'est comporté un peu comme une jonction Josephson - un dispositif qui est normalementconçu pour faire un supraconducteur. En tant que tel, BEC peuvent être utilisés comme "simulateurs quantiques" pour acquérir une meilleure compréhension de systèmes quantiques bien moins accessibles, allant des aimants supraconducteursaux d'étoiles à neutrons. Malheureusement, les physiciens ont jusqu'ici seulement été en mesure de créer des BEC dans les pièges où le potentiel de piégeage - et donc la densité atomique – variait harmoniquement, ce qui n'est pas bon pour une personne cherchant à simuler , par exemple, les électrons dans les solides, car ces systèmes ont tendance à avoir des densités homogène de particule
Mettre un couvercle à une boîte de conserve ( voir la photo des auteurs )
Récemment , cependant, Zoran Hadzibabic et ses collègues de l'Université de Cambridge ont été les premiers à créer un BEC dans un piège 3D - à des fins plus pratiques - a un potentiel constant dans les trois directions. «Notre piège est une boîte optique fabriquée en lumière verte: une région sombre de l'espace vide est entourée par de fines parois de lumière qui repoussent les atomes et les gardent confinés à l'intérieur de la boîte», dit Hadzibabic.
Son équipe a créé la boîte en imprimant un motif de phase sur un faisceau laser classique. Le résultat est un tube creux de la lumière laser verte avec deux faisceaux laser "en forme de feuille" se trouvant perpendiculaires au tube. "Les faisceaux forment les couvercles d'extrémité que de notre boite optique t», dit Hadzibabic. Les effets de la gravité, qui pourraient gêner la boîte, ont été éliminés en suspendant les atomes à l'aide d'un champ magnétique.
Avant de créer le BEC, l'équipe de Hadzibabic a dû refroidir un nuage d’ atomes de rubidium-87 à des températures del’ordre du nano kelvin. Il s'agissait d’abord de baisser progressivement le potentiel de piégeage harmonique de sorte que par leur mouvement plus rapide les atomes chauds échappent du piège, laissant seulement des atomes froids derrière eux .Et pendant qu’il subit ce processus de «refroidissement par évaporation", le nuage se rétrécit jusqu'à ce qu'il soit assez petit pour tenir dans la boîte optique. Le boîtier est alors mis en marche et le piège harmonique est alors éteint lentement.
L'étape suivante consiste à soumettre les atomes à un dernier tour de refroidissement par évaporation pour obtenir le gaz à une température inférieure à 90 nK, là où il se transforme en un BEC. Cela a été fait par l’ ajustement de l'intensité de la lumière laser qui crée des parois du piège. Par leur déplacement plus rapide les atomes chauds sont capables de pénétrer les murs et sortir de la trappe, tandis que les atomes froids ne lepeuvent pas – cela provoquele refroidissement par évaporation.
Einsteina encore raison !
Pour confirmer qu'ils avaient effectivement réalisé un BEC dans un potentiel uniforme, les chercheurs se sont occupé de la case piège et ont laissé le gaz se dilater librement tout en mesurant la distribution des vitesses des atomes. Un pic important à très faible vitesse a confirmé qu'un BECs’était formé et la forme du pic contenait des informations sur la forme de la boîte piège. La distribution de vitesse a également révélé la température en dessous de laquelle les atomes s’étaient condensés dans un BEC. Cette température a été prédite par Einstein en 1925 et Hadzibabic dit que leur analyse est la meilleure confirmation expérimentale réalisée jusqu'ici.
Alors quece type de boîte piège est une bonne approximation vers un potentiel constant en 3D, il n'est pourtant pas parfait, mais Hadzibabic fait valoir qu'il reste assez bon pour la plupart des applications. «Dans notre piège», dit-il, «on peut estimer que plus de 80% des atomes se situent dans la région où la densité s'écarte de moins de 10% de la valeur moyenne, de sorte que ces atomes devraient fortement dominer tous les signaux expérimentaux." En revanche, moins de 20% des atomes d un tel piège harmonique se situent classiquementdans une région qui soit représentatif de la densité moyenne.
Concentrez-vous sur les transitions de phase !
Maintenant qu'ils ont créé un BEC quasi-homogène, les chercheurs sont désireux de l'utiliser pour simuler toute une gamme de systèmes quantiques. En particulier, la mise en place devrait être bonne pour étudier comment un systèmesubit la transition de phase à partir d'un gaz froid jusqu’à un BEC. Le premier objectif de l'équipe est d'étudier les effets des interactions entre particules sur la condensation Bose-Einstein d'un gaz homogène ou fluide. Ce problème a d'abord été proposé en 1957 par Chen Ning Yang et Tsung-Dao Lee - physiciens sino-américaines qui ont également remporté le prix Nobel de cette année pour un travail sans rapport avec la physique des particules.
"Ce problème a été étudié dans l'hélium liquide, mais de nombreuses questions restent ouvertes et l'accord entre la théorie et l'expérience n'a pas été atteint», explique Hadzibabic. L'équipe cherche aussi à faire d'autres expériences dans lesquelles les interactions entre les atomes peuvent être affinées. Il s'agira de modifier l'expérience et utiliser le potassium-39, qui est plus difficile à piéger, mais meilleur pour créer des interactions accordables.
Les résultats sont décrits dans Physical Review Letters et une prépublication est disponible sur arXiv.
À propos de l'auteur :Hamish Johnston est l'éditeur du physicsworld.co
Pas de commentaires
Je publierai le reste des articles de monPHYSICS WORLD dans la seconde partie ; laissez-moi exhaler toutes les remarques critiques que je tiens à faire sur l’usage ACTUEL immodéré desBECS !
C'est l'une des coqueluches actuelles de nos physiciens : le condensat de Bose-Einstein (BEC), cet étrange état de la matière où les particules se trouvent toutes dans le même état quantique et se comportent comme si elles n’enfaisaient qu'une seule énorme !Mais je me méfie des emballements médiatiques et des modes car il y en a en physique aussi …..Il faut que je vous explique ce qui me pèse dans le concept deBEC….avant pourtant de me mettre à le défendre moi aussi …..
Les conditions incontournables à remplir pour former un tel condensat sont les suivantes. Tout d’abord il faut avoir affaire à des particules de la famille des « bosons » . Il faut ensuite, soit augmenter la densité des particules que l’on veut condenser, soit abaisser leur température afin que la distance moyenne entre particules soit comparable à la longueur d’onde qui les caractérise (longueur d’onde de De Broglie). Plus ces particules sont légères, moins il est nécessaire de les refroidir pour qu’elles satisfassent à ces conditions. Plus précisément la longueur d’onde de De Broglie varie comme l’inverse de la racine carrée de la masse et de la température….. » Mais alors pourquoi te plains tu ? » me dirait PIERRE !Et je lui répondrais : « Mais les électrons ou les atomes ne sont pas des bosons mais des fermions (particules de spin demi-entier).T u dois donc ruserpour te retrouver dans des situations dans lesquelles ils se comportent comme des bosons (particules de spin entier) !! » C’est le cas par exemple dans les matériaux semi-conducteurs, lorsqu’un électron de la bande de valence est porté dans la bande de conduction à la suite d’une excitation et laisse derrière lui un « trou » positif dans la bande de valence. L’association de l’électron et du trou par attraction Coulombienne forme un boson composite appelé exciton. Une limitation importante vient du fait que l’exciton est un boson fragile : lorsque l’on augmente la densité des excitons dans un semi-conducteur, ceux-ci ont tendance à se désagréger en un plasma de fermions : électrons et trous. « Mais ou veux-tu en venir ? » me répondrait alors mon petit-fils …..Et bien à ceci que , jouer avec de l’hélium, des électronspiégés, du rubidium 87etc. C EST FACILE MAIS .... CE N’EST PAS SE PLACER DANS LES CONDITIONS OUVERTES A TOUT VENANTdans une étoile à neutrons par exemple où si, bien entendu, les noyaux de fer sont très prédominants il doit surement rester un certain mélange !!!!De plus , pour moi dansunBEC en particulier pour les atomes froids dans les pièges très anisotropes à basses dimension la condensation ne peut avoir lieu que sur plusieurs états quantiques proche de l'état fondamental……. D’où s’ensuit une décroissance de la longueur de cohérence du condensat. Alors en définitive , je préfère qu’on parle alors d'un condensat fragmenté ou encore d’ uneCOLLECTION DE CONDENSATS …..Comprends moi bienPIERRE ! SI tu as une très grande quantité de billes de 2 ou 3 diamètres divers et que tu veux lesranger EN TAS parfaitement ( en baissant leur température tout près de 0° K) tu n’ y arriverasque par des DOMAINES HOMOGENES ET PARTIELS …….
A SUIVRE