Schéma montrant comment les atomes se propagent à travers l'expérience. (Université d'Amsterdam/Scixel) Une nouvelle percée a permis aux physiciens de créer un faisceau d'atomes qui se comporte de la même manière qu'un laser et qui peut théoriquement rester allumé « pour toujours ».
Cela pourrait enfin signifier que la technologie est en voie d'application pratique, bien que des limitations importantes s'appliquent toujours.
Néanmoins, il s'agit d'un énorme pas en avant pour ce que l'on appelle un «laser à atomes» - un faisceau constitué d'atomes marchant comme une seule onde qui pourrait un jour être utilisé pour tester les constantes physiques fondamentales et la technologie de précision d'ingénierie.
Les lasers à atomes existent depuis une minute. Le premier laser à atomes a été créé par une équipe du MIT physiciens en 1996 . Le concept semble assez simple : tout comme un laser traditionnel à base de lumière se compose de photons se déplaçant avec leurs ondes en synchronisation, un laser composé d'atomes nécessiterait leur propre nature ondulatoire pour s'aligner avant d'être mélangés sous forme de faisceau.
Comme pour beaucoup de choses en science, cependant, il est plus facile de conceptualiser que de réaliser. A la racine du laser à atome se trouve un état de la matière appelé un Condensat de Bose-Einstein , ou BEC.
Un BEC est créé en refroidissant un nuage de bosons juste une fraction au-dessus du zéro absolu. À des températures aussi basses, les atomes tombent dans leur état d'énergie le plus bas possible sans s'arrêter complètement.
Lorsqu'elles atteignent ces basses énergies, les propriétés quantiques des particules ne peuvent plus interférer entre elles ; ils se rapprochent suffisamment les uns des autres pour se chevaucher, ce qui donne un nuage d'atomes à haute densité qui se comporte comme un «super atome» ou une onde de matière.
Cependant, les BEC sont quelque chose d'un paradoxe. Ils sont très fragiles; même la lumière peut détruire un BEC. Étant donné que les atomes d'un BEC sont refroidi à l'aide de lasers optiques , cela signifie généralement que l'existence d'un BEC est éphémère.
Les lasers à atomes que les scientifiques ont réussi à réaliser à ce jour étaient de type pulsé plutôt que continu ; et impliquent de déclencher une seule impulsion avant qu'un nouveau BEC ne doive être généré.
Afin de créer un BEC continu, une équipe de chercheurs de l'Université d'Amsterdam aux Pays-Bas a réalisé que quelque chose devait changer.
«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', a expliqué le physicien Florian Schreck .
«En fin de compte, les atomes ultrafroids 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.
Ce « cœur de l'expérience » est un piège qui maintient le BEC à l'abri de la lumière, un réservoir qui peut être réapprovisionné en continu pendant toute la durée de l'expérience.
Protéger le BEC de la lumière produite par le laser de refroidissement, bien que simple en théorie, était encore un peu plus difficile en pratique. Non seulement il y avait des obstacles techniques, mais il y avait aussi des obstacles bureaucratiques et administratifs.
'En déménageant à Amsterdam en 2013, nous avons commencé par un acte de foi, des fonds empruntés, une salle vide et une équipe entièrement financée par des subventions personnelles', a déclaré le physicien Chun-Chia Chen , qui a dirigé la recherche.
'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.
Maintenant que la première partie du laser à atomes continus a été réalisée – la partie « atome continu » – la prochaine étape, selon l'équipe, consiste à travailler sur le maintien d'un faisceau d'atomes stable. Ils pourraient y parvenir en transférant les atomes dans un état non piégé, extrayant ainsi une onde de matière qui se propage.
Parce qu'ils ont utilisé des atomes de strontium, un choix populaire pour les BEC, la perspective ouvre des opportunités intéressantes, ont-ils déclaré. L'interférométrie atomique utilisant des BEC de strontium, par exemple, pourrait être utilisée pour mener des enquêtes sur la relativité et la mécanique quantique, ou détecter ondes gravitationnelles .
«Notre expérience est l'analogue de l'onde de matière d'un laser optique à onde continue avec des miroirs à cavité entièrement réfléchissants», les chercheurs ont écrit dans leur article .
«Cette démonstration de preuve de principe fournit une nouvelle pièce d'optique atomique jusqu'ici manquante, permettant la construction de dispositifs continus à ondes cohérentes de la matière.»
La recherche a été publiée dans La nature .