Une série d'expériences avec des atomes refroidis à presque un milliardième de kelvin est en cours depuis quelques mois à bord de l'ISS.
Une série d'expériences avec des atomes refroidis à presque un milliardième de kelvin est en cours depuis quelques mois à bord de l'ISS.
Elle est destinée à battre un nouveau record dans le domaine des basses températures avec des condensats de Bose-Einstein. Elle pourrait ouvrir la porte à des mesures d'une précision inédite qui pourraient être la clé d'une nouvelle physique, dans le domaine de la gravitation ou de l'information quantique.
Elle est destinée à battre un nouveau record dans le domaine des basses températures avec des condensats de Bose-Einstein. Elle pourrait ouvrir la porte à des mesures d'une précision inédite qui pourraient être la clé d'une nouvelle physique, dans le domaine de la gravitation ou de l'information quantique.
Futura l'avait annoncé dans le précédent article ci-dessous, l'expérience CAL (Cold Atom Laboratory) est en cours à bord de l'ISS qu'elle a rejointe le 21 mai 2018. C'est un véritable tour de force car, d'ordinaire, il faut des instruments occupant une pièce entière sur Terre pour produire un condensat de Bose-Einstein d’atomes ultrafroids. Or, dans le cas présent CAL a la taille d'un petit réfrigérateur et l'expérience est de surcroît pilotable depuis le sol. Plusieurs équipes de chercheurs pourront avoir accès à ce dispositif pour conduire différents types de recherches.
Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ».© Nasa Jet Propulsion Laboratory
Des prix Nobel pilotent des condensats de Bose-Einstein à bord de l'ISS
CAL a déjà produit ses premiers résultats avec des atomes de rubidium piégés et refroidis avec des faisceaux lasers et un champ magnétique à une température de l'ordre de 100 nanokelvin, c'est-à-dire un dix millionième de kelvin. En ce qui concerne les basses températures, ce n'est pas encore le record que l'on peut atteindre dans un laboratoire terrestre avec un condensat de Bose-Einstein, mais c'est de bon augure pour CAL qui devrait justement permettre d'atteindre cette performance grâce aux conditions de micro-gravité à bord de l'ISS. Non seulement et pour cette raison, des températures encore plus basses devraient pouvoir être atteintes et ainsi permettre d'investiguer un nouveau territoire de la physique, en l'occurrence quantique, mais surtout, des condensats de Bose-Einstein pourraient être observables plus longtemps. En tout état de cause, il s'agit déjà de l'un des points les plus froids du cosmos observable puisque la température déjà atteinte est bien inférieure à la température du rayonnement fossile qui baigne et chauffe tout dans l'univers (environ 2,72 kelvins).
Après quelques mois nécessaires à la prise en main du matériel pour vérifier son comportement dans l'espace, ce qui est indispensable pour interpréter correctement les résultats des expériences à mener, CAL a donc débuté depuis peu sa chasse à la nouvelle physique et aux nouvelles technologies. Devraient en découler d'intéressantes découvertes concernant la gravitation ou la manière de s'y prendre pour faire des ordinateurs quantiques. Parmi les équipes de recherche à pied d'œuvre, se trouvent deux groupes menés par les premiers physiciens à avoir obtenu des condensats de Bose-Einstein d'atomes en laboratoire en 1995 : les prix Nobel de physique, Eric Cornell et Wolfgang Ketterle, lauréats de ce prix prestigieux en 2001, avec le physicien Carl Wieman, tous les trois justement pour avoir validé une prédiction théorique remontant aux travaux de Satyendra Nath Bose et Albert Einstein sur les gaz de certaines particules en 1924.
Les expériences à bord de l'ISS avec CAL devraient durer au moins trois ans et, outre des atomes de rubidium, plusieurs isotopes du potassium seront utilisés.
Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ».© Nasa Jet Propulsion Laboratory
CE QU'IL FAUT RETENIR
- On peut considérer l'état quantique appelé condensat de Bose-Einstein obtenu avec, en particulier, des atomes ultrafroids presque au zéro absolu comme un nouvel état de la matière.
- Ce phénomène quantique oblige des atomes à se rassembler dans un seul état décrit par une onde de matière quantique. Son étude fine pourrait déboucher sur une nouvelle physique et de nouvelles technologies dans les domaines de la mesure et de l'information quantique.
- Pour la première fois, une expérience baptisée CAL permet de faire des condensats de BE en orbite. Elle bénéficie ainsi d'effets de microgravité qui lui offrent de descendre encore en température et de pouvoir mieux étudier ces condensats. CAL est à bord de l'ISS et ce, pour 3 ans.
POUR EN SAVOIR PLUS
Le point le plus froid de l'univers sera à bord de l'ISS
Article de Laurent Sacco publié le 10/03/2017
Une expérience, qui partira bientôt pour l'ISS, devrait permettre d'atteindre un nouveau record dans le domaine des basses températures avec des condensats de Bose-Einstein. Peut-être donnera-t-elle accès à une nouvelle physique ?
Le Cold Atom Laboratory (CAL), un ensemble d'instruments destinés à produire des atomes ultrafroids et surtout des condensats de Bose-Einstein aurait dû se trouver à bord de l'ISS en 2016 (voir l'article plus bas). Mais la Nasa vient de faire savoir que l'expérience développée par le JPL de Pasadena ne s'envolera pour la Station spatiale internationale qu'en août 2017. C'est la société SpaceX d'Elon Musk qui est chargée de son transfert dans l'espace via son cargo SpaceX CRS-12.
Comme nous l'expliquions en détail (voir aussi la vidéo ci-dessous), l'objectif principal est de créer dans l'espace le phénomène de condensation d'un gaz quantique prédit au cours des années 1920 par Albert Einstein à partir des travaux de son collègue, le physicien indien Satyendranath Bose.
Qu'est-ce qu'une condensation de Bose-Einstein ? © Vulgarisation, YouTube
Un milliardième de kelvin au- dessus du zéro absolu
Ce phénomène a été obtenu sur Terre la première fois avec un gaz d'atomes en 1995 par une équipe du laboratoire NIST/JILA (Boulder, Colorado, États-Unis), dirigée par Eric Cornell et Carl Wieman comme l'a montré un troisième chercheur, Wolfgang Ketterle. Pour cet exploit inédit, les trois hommes ont reçu en 2001 le prix Nobel de physique. Depuis, l'étude de divers condensats de Bose-Einstein (BEC) a été activement poursuivie en raison des fenêtres qu'ils ouvrent sur le monde quantique, en particulier avec le phénomène d'interférence des ondes de matière atomique. Il est possible alors d'avoir des franges d'interférences avec des atomes entiers comme s'ils étaient des photons ou des électrons dans des expériences du type de celle décrite par Richard Feynmandans son cours de physique quantique.
Dans le cas des expériences qui vont être conduites avec CAL, le but est d'obtenir, grâce à la micropesanteur, les BEC les plus froids jamais réalisés. Il est prévu d'atteindre le milliardième de kelvin au-dessus du zéro absolu. De plus, ces condensats résisteront plus longtemps. Au lieu de quelques fractions de seconde, comme dans les expériences actuelles, les BEC en micropesanteur devraient pouvoir être observés durant 5 à 10 secondes et, dans un futur proche, peut-être jusqu'à plusieurs minutes.
Une présentation des condensats de Bose-Einstein et des expériences qui seront menées avec eux à bord de l'ISS. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle avec deux barres horizontales en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître, si ce n'est pas déjà le cas. En passant simplement la souris sur le rectangle, vous devriez voir l'expression « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « Français », puis cliquez sur « OK ». © Science@NASA, YouTube
Cinq équipes de chercheurs ont obtenu du temps pour faire des expériences avec CAL, dont une qui a pour membre Eric Cornell. Les résultats de leurs recherches pourraient potentiellement conduire à des bonds technologiques dans le domaine des capteurs, des ordinateurs quantiques et des horloges atomiques.
Les résultats les plus fascinants concerneraient surtout de la nouvelle physique. Des expériences précises d'interférométrie atomique pourraient permettre par exemple de détecter directement de l'énergie noire et même d'en préciser la nature, comme l'a proposé le prix Nobel de physique Martin Perl. La théorie des champs de caméléons pourrait aussi être vérifiée.
Des BEC dans l'ISS pour battre le record des plus basses températures
Article de Laurent Sacco publié le 05/02/2014
La Nasa finance plusieurs expériences avec des atomes ultrafroids qui prendront place à bord de l'ISS en 2016. Il s'agira de produire dans des conditions de microgravité les fameux condensats de Bose-Einstein. Ces condensats pourraient révéler de nouveaux phénomènes quantiques, mais on attend surtout d'eux qu'ils servent à créer des technologies pour réaliser des mesures physiques de temps et d'accélération plus précises. En tout état de cause, on devrait pouvoir se rapprocher encore plus du zéro absolu lors de ces expériences.
En cherchant à comprendre les lois décrivant le spectre du rayonnement émis par un corps chaud, par exemple de la lave, Planck et Einstein ont pavé la voie conduisant à la découverte de la statistique de Bose-Einstein pour les photons et à celle des ondes de matière par Louis de Broglie. En 1925, en explorant les conséquences pour un gaz de particules de matière de la nouvelle statistique découverte par Bose pour décrire un gaz de photons, Einstein prédit théoriquement le phénomène aujourd'hui connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein (Bose-Einstein Condensate ou BEC en anglais).
Il a fallu attendre 1995 pour que deux équipes de chercheurs réussissent à produire le premier BEC. Ils ont pour cela utilisé des atomes ultrafroids. Eric Cornell et Carl Wieman, de l'université du Colorado, sont parvenus à obtenir pendant quelques secondes un condensat de Bose-Einsteinconstitué de quelques milliers d'atomes de rubidium. Pour cela, ils ont abaissé une première fois leur température à l'aide d'un laser, puis se sont approchés encore plus du zéro absolu en laissant s'évaporer une partie du gaz dilué d'atomes froids contenu dans un piège magnétique. Indépendamment, Wolfgang Ketterle devait obtenir des résultats similaires avec son groupe de recherche au MIT. Les trois chercheurs se sont partagé le prix Nobel de physique en 2001 pour ces accomplissements.
Des atomes ultrafroids pour tester la relativité générale
Condensat de Bose-Einstein et micropesanteur
La Nasa ne s'y est pas trompée. Elle vient d'ailleurs d'annoncer qu'elle allait financer plusieurs projets de recherche sur les BEC à bord de l'ISS dans le cadre de son programme Cold Atom Lab(CAL). Si tout va bien, un module permettant de réaliser des expériences avec des atomes ultrafroids et de produire des BEC partira pour l'espace en 2016. L'un des avantages des expériences en microgravité est qu'il est possible de descendre encore plus bas en température en laissant des atomes ultrafroids s'évaporer dans un piège magnétique. Les chercheurs envisagent en outre de battre un record dans le domaine de la physique des basses températures en atteignant 100 picokelvins, c'est-à-dire une température de l'ordre du dix milliardième de kelvin.
Sauf dans un éventuel laboratoire extraterrestre quelque part dans l'univers observable, le BEC à bord de l'ISS sera alors le point le plus froid du cosmos. En effet, le rayonnement fossile est à une température de 2,7 K.
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