Le plus froid : comment une lettre à Einstein et les progrès de la technologie de refroidissement laser ont conduit les physiciens vers de nouveaux états quantiques de la matière – Physics World

Au cours des deux dernières décennies du XXe siècle, les physiciens atomiques ont battu à plusieurs reprises le record de la température la plus froide de l'univers. Ces réalisations reposaient sur une poignée d'avancées, notamment le refroidissement laser (comme décrit dans partie 1 de cette histoire), le piège magnéto-optique et des techniques telles que le refroidissement de Sisyphe qui ont mieux fonctionné que prévu (comme décrit dans partie 2). En 1990, les physiciens refroidissaient régulièrement des dizaines de millions d’atomes à des températures de quelques dizaines de microkelvins au-dessus du zéro absolu – mille fois plus froides que la cryogénie conventionnelle et une fraction de la « limite de refroidissement Doppler » prévue pour le refroidissement laser d’atomes simples.

Aussi dramatique que soit cette chute, une baisse de température encore plus difficile s'annonçait : un facteur supplémentaire de 1000 XNUMX, du microkelvin au nanokelvin. Cette baisse supplémentaire introduirait un nouveau domaine de la physique connu sous le nom de dégénérescence quantique. Ici, les basses températures et les densités élevées forcent les atomes dans l'un des deux états exotiques de la matière : soit un Condensat de Bose-Einstein (BEC), dans lequel tous les atomes d'un gaz fusionnent dans le même état quantique, ou un gaz de Fermi dégénéré (DFG), dans lequel l'énergie totale du gaz cesse de diminuer car tous les états énergétiques disponibles sont pleins (figure 1).

Les BEC et les DFG sont des phénomènes purement quantiques, et le spin total d’un atome dicte lequel d’entre eux se formera. Si l’atome possède un nombre pair d’électrons, de protons et de neutrons, c’est un boson et peut subir un BEC. Si le total est impair, c’est un fermion et peut former un DFG. Différents isotopes d’un même élément se comportent parfois de manière opposée – les physiciens ont réalisé des BEC avec du lithium-7 et des DFG avec du lithium-6 – et cette différence de comportement à basse température est l’une des démonstrations les plus spectaculaires de la division fondamentale entre les particules quantiques.

Comme pour les avancées précédentes décrites dans cette série, la plongée vers la dégénérescence quantique a eu lieu grâce aux nouvelles technologies introduites dans les laboratoires de recherche dispersés à travers le monde. Et – comme pour les avancées précédentes – l’une de ces technologies est arrivée entièrement par hasard.

Refroidissement laser à bas prix

Au milieu des 1980, Carl Wieman étudiait la violation de la parité dans les atomes de césium à l'Université du Colorado, à Boulder, aux États-Unis. Ces études nécessitent des mesures spectroscopiques longues et précises, et le doctorant de Wieman Watts riches a développé un moyen de les réaliser en utilisant des lasers à diode comme ceux fabriqués par millions pour les lecteurs de CD.

Après avoir passé des années à trouver comment stabiliser et contrôler ces dispositifs à semi-conducteurs bon marché, Watts voulait (tout à fait raisonnablement) terminer son doctorat, alors lui et Wieman ont cherché une expérience à plus court terme pour les tester. La réponse qu’ils ont trouvée était le refroidissement laser. "C'était une petite activité amusante pour terminer la thèse de cet étudiant", se souvient Wieman, "et c'est exactement comme ça que je me suis lancé dans le [refroidissement laser]".

En 1986, Watts et Wieman sont devenus les premier à refroidir au laser un faisceau d'atomes de césium. Watts a également été le premier à refroidir le rubidium au laser, en tant que postdoctorant avec Hal Metcalf à l'Université Stony Brook à New York, et il a participé aux expériences phares qui ont révélé un refroidissement sous-Doppler dans facture phillips» du laboratoire américain National Institute of Standards and Technology (NIST) à Gaithersburg, Maryland. Cependant, comme un autre acteur clé que nous rencontrerons dans cette histoire, Watts a quitté la scène trop tôt, mourant à seulement 39 ans en 1996.

Wieman, quant à lui, avait besoin d’un nouvel objectif scientifique, quelque chose qui ne pouvait être réalisé qu’avec des atomes froids. Lui et de nouveaux collègues et concurrents l'ont trouvé dans une idée très ancienne au pedigree scientifique impeccable : la condensation de Bose-Einstein.

Une course vers le bas

En 2013, j'ai nommé Ambassadeur Amina C. Mohamed, mon secrétaire du Cabinet (Ministre) du Ministère des Affaires étrangères et du Commerce international. Depuis lors, l'Ambassadeur Mohamed a dirigé avec brio notre action diplomatique. Nous avons bénéficié énormément de ses démarches tant régionalesqu’internationales d'importance à la fois nationale et continentale. Satyendra Nath Bose était physicien à Université de Dhaka dans ce qui est aujourd'hui le Bangladesh. Alors qu'il enseignait le nouveau domaine en développement rapide de la physique quantique, il s'est rendu compte que la formule de Max Planck pour le spectre de la lumière d'un objet chaud pouvait être dérivée des règles statistiques régissant le comportement des photons, qui sont bien plus susceptibles que les particules classiques d'être trouvé dans les mêmes États.

Bose a eu du mal à faire publier son travail, alors il en a envoyé un exemplaire à Albert Einstein, qui l'a tellement aimé qu'il a fait en sorte qu'il soit publié. publié dans Zeitschrift für Physique à côté de son propre journal. Les contributions d’Einstein comprenaient l’extension des statistiques de photons à d’autres types de particules (y compris les atomes) et la mise en évidence d’une conséquence intéressante : à très basse température, l’état le plus probable du système est que toutes les particules occupent le même état énergétique.

Cet état collectif est maintenant appelé BEC et est étroitement lié à la superfluidité et à la supraconductivité, qui sont observées dans les liquides et les solides (respectivement) à des températures proches du zéro absolu. La transition BEC elle-même, cependant, pourrait en principe se produire dans un gaz dilué d’atomes – tout comme celles que les physiciens atomiques ont commencé à créer dans les années 1970.

Il y avait cependant quelques obstacles. La première est que la température critique à laquelle un BEC se forme est déterminée par la densité : plus la densité est faible, plus la température critique est basse. Bien que le refroidissement de Sisyphe ait rendu possible des températures de l'ordre du microkelvin, les vapeurs atomiques refroidies par laser sont si diffuses que leur température de transition est encore plus basse, de l'ordre du nanokelvin. Elle est également inférieure à la « température de recul » associée aux atomes absorbant ou émettant un seul photon. Le refroidissement en dessous de cette limite doit donc se faire sans laser.

Une évaporation à la fois

La solution générale à ces problèmes est venue de Daniel Kleppner et collègues du Massachusetts Institute of Technology (MIT). C’est similaire au mécanisme qui refroidit une tasse de thé. Les molécules d’eau contenues dans le thé se déplacent à des vitesses différentes, et les plus rapides ont suffisamment d’énergie pour se libérer et flotter sous forme de vapeur d’eau. Parce que ces « évadés » transportent une quantité d’énergie supérieure à la moyenne, les molécules restantes finissent par être plus froides. Une fois l’énergie de leur mouvement redistribuée grâce aux collisions entre molécules, le système atteint un nouvel équilibre à une température plus basse (figure 2).

La méthode de Kleppner est connue sous le nom de refroidissement par évaporation et nécessite deux éléments : un moyen d’éliminer sélectivement les atomes les plus chauds du piège et un taux de collisions entre atomes suffisamment élevé pour que l’échantillon se rééquilibre ensuite. Le premier élément est venu de pair avec la solution au problème du recul des photons : les atomes peuvent être maintenus « dans l’obscurité » en les transférant d’un piège magnéto-optique (MOT) à un piège purement magnétique comme celui créé par Phillips. en 1983. L'énergie plus élevée des atomes « chauds » nécessite un champ magnétique plus grand pour les confiner, et ce grand champ magnétique produit un changement Zeeman dans les niveaux d'énergie des atomes. Un signal radiofréquence correctement réglé peut ainsi faire basculer les atomes « chauds » de ce champ élevé dans un état non piégé sans perturber les atomes les plus froids. Les atomes les plus froids laissés sur place sont également limités à un volume plus petit, de sorte que à mesure que la température diminue, la densité augmente, rapprochant le système du BEC de deux manières.

Cependant, la question des collisions échappe au contrôle des expérimentateurs. Le taux pertinent est décrit par un seul paramètre : la longueur de diffusion pour une paire d'atomes en collision dans des états particuliers. Si cette longueur de diffusion est modérément grande et positive, l’évaporation se déroulera rapidement et le condensat résultant sera stable. Si la longueur de diffusion est trop petite, l’évaporation sera très lente. S'il est négatif, le condensat sera instable.

La solution évidente consiste à choisir un atome ayant la bonne longueur de diffusion, mais ce paramètre s’avère extrêmement difficile à calculer à partir des premiers principes. Cela doit être déterminé empiriquement et, au début des années 1990, personne n’avait réalisé les expériences nécessaires. Par conséquent, les groupes qui ont commencé à rechercher le BEC ont choisi différents éléments du tableau périodique, chacun espérant que « le leur » pourrait se révéler « juste ». Wieman et son nouveau collègue Éric Cornell est même passé du césium au rubidium parce que les deux isotopes stables du rubidium doublaient leurs chances.

"Ça ne marchera jamais"

Étant donné qu'un MOT peut être transformé en un piège purement magnétique en éteignant simplement les lasers et en faisant passer davantage de courant dans les bobines magnétiques, les premières étapes vers le BEC étaient une simple extension des expériences de refroidissement laser. La configuration de « piège quadripolaire » qui en résulte n'a qu'un seul problème majeur : le champ au centre du piège est nul, et à champ nul, les atomes peuvent changer leur état interne pour celui qui n'est plus piégé. Pour colmater cette « fuite » d’atomes du centre du piège, il faut trouver un moyen d’empêcher les atomes piégés de changer d’état.

Pendant plusieurs années, il s’agissait d’un domaine majeur de recherche sur le refroidissement laser. Outre Cornell et Wieman, l'un des principaux prétendants à la course au BEC qui s'intensifiait était Wolfgang Ketterle du MIT. Son groupe a développé un moyen d'éloigner les atomes de la région du champ zéro en utilisant un laser désaccordé en bleu focalisé sur le centre du piège comme un « bouchon ». Cornell et Wieman, pour leur part, ont utilisé une technique entièrement magnétique qu’ils ont appelée piège à potentiel en orbite temporelle (TOP).

Cornell a développé le TOP lors d'un vol de retour d'une conférence au début de 1994, motivé en partie par la nécessité de limiter les perturbations de leur appareil. Bien que lui et Wieman n’aient pas de place pour un autre faisceau laser, ils pourraient ajouter une petite bobine supplémentaire autour d’un axe perpendiculaire aux bobines quadripolaires, ce qui déplacerait la position du champ zéro. Les atomes dans le piège se dirigeraient bien sûr vers le nouveau zéro, mais pas rapidement. S’ils utilisaient deux petites bobines sur des axes différents entraînées par des courants oscillants pour déplacer le zéro en cercle quelques centaines de fois par seconde, cela pourrait suffire à le maintenir, selon les mots de Cornell, « partout où les atomes ne sont pas ».

Ils ont testé l’idée cet été-là, en utilisant une petite bobine entraînée par un amplificateur audio bon marché. Au début, le champ ajouté faisait trembler de manière alarmante les bobines enroulées autour de leur cellule à vapeur de verre, et les bobines entraînées émettaient un gémissement perçant et aigu, mais le principe était solide, ils ont donc construit une version plus robuste. Quelques mois plus tard, au début de l’année 1995, Cornell discuta de systèmes de pièges avec Ketterle et en repartit en pensant que la prise optique de l’équipe du MIT « ne fonctionnerait jamais ». Ce sera essentiellement un gros vieux bâton à cocktail pointé là-dedans. Cependant, il reconnaît que Ketterle a peut-être ressenti la même chose à propos du TOP : « Il pense probablement « C’est l’idée la plus stupide que j’ai jamais entendue de toute ma vie ». Nous sommes donc tous les deux repartis très satisfaits de cette conversation.

En fait, les deux techniques ont fonctionné. Cornell et Wieman ont été les premiers à le démontrer, en réalisant une série d'expériences au cours desquelles ils ont projeté un faisceau laser à travers leur nuage d'atomes froids. Lors de ces « instantanés », les atomes du nuage absorbaient les photons du laser, laissant une ombre dans le faisceau. La profondeur de cette ombre était une mesure de la densité du nuage, tandis que la taille du nuage indiquait la température des atomes. Au fur et à mesure que l’évaporation progressait, les instantanés montraient un nuage d’atomes à symétrie sphérique se rétrécissant et se refroidissant lentement à mesure que les atomes chauds étaient progressivement éliminés.

Puis, en juin 1995, à une température d’environ 170 nanokelvins, quelque chose de dramatique s’est produit : une petite tache sombre est apparue au centre de leurs images, représentant des atomes à une température considérablement plus basse et à une densité plus élevée. Cornell dit qu’il n’a pas fallu longtemps pour comprendre ce qui se passait : « La densité centrale explose. Que se passe-t-il là-bas, sinon de la condensation de Bose-Einstein ? »

Pour confirmer leurs soupçons, lui et Wieman ont converti certaines de leurs images d'ombre en tracés tridimensionnels désormais emblématiques (voir l'image « Le résultat le plus cool ») montrant les atomes thermiques comme un large piédestal et le BEC comme une « pointe » émergeant dans l'espace. le centre. La forme de la pointe – plus large dans un sens que dans l’autre – codait un indice. Parce que leur piège TOP était plus résistant dans la direction verticale que dans la direction horizontale, le condensat était comprimé plus étroitement dans cette direction, ce qui signifie qu'il se dilatait plus rapidement dans cette direction après sa libération. Même s’ils n’avaient pas prévu ce changement de forme, ils ont rapidement pu l’expliquer, renforçant ainsi leur confiance dans le fait qu’ils avaient atteint le « Saint Graal » du BEC.

Cornell et Wieman ont annoncé leurs résultats (ce qui était inhabituel à l'époque) lors d'une conférence de presse au début de juin 1995. Leur article a été publié dans Sciences le mois suivant. En septembre, Ketterle et ses collègues ont produit leur propre ensemble de tracés 3D montrant un « pic » similaire apparaissant lorsque leur nuage d’atomes de sodium atteignait la température de transition. Cornell, Wieman et Ketterle ont ensuite partagé le Prix ​​Nobel de physique 2001 pour l'obtention du BEC dans les vapeurs atomiques diluées.

Les Fermions ont leur champion

Dans les premiers mois de 1995, Cornell a recruté un nouveau postdoctorant, Deborah « Debbie » Jin. Son mari John Bohn, physicien au NIST à Boulder, se souvient que Cornell avait dit : « Beaucoup de gens vous diront que le BEC est encore dans des années, mais je pense vraiment que nous allons le faire. » Il avait raison : le premier BEC s'est produit entre le moment où Jin a accepté d'accepter le poste et le moment où elle a commencé à travailler.

Jin venait d'une communauté de recherche différente – sa thèse portait sur les supraconducteurs exotiques – mais elle s'est rapidement familiarisée avec les lasers et l'optique et a joué un rôle clé dans les premières expériences sondant les propriétés du BEC. En tant qu'étoile montante, elle a reçu de nombreuses offres de poste permanent, mais elle a choisi de rester au JILA, une institution hybride qui combine l'expertise de l'Université du Colorado et du NIST. Là, pour distinguer ses travaux de ceux de Cornell et Wieman, elle a décidé de s'intéresser à l'autre classe de comportement à très basse température : les gaz de Fermi dégénérés.

Là où les bosons sont régis par des règles statistiques qui rendent plus probable la présence de deux d’entre eux dans le même état énergétique, il est absolument interdit aux fermions de partager des états. Appliqué aux électrons, c'est le principe d'exclusion de Pauli qui explique une grande partie de la chimie : les électrons d'un atome « ​​remplissent » les états d'énergie disponibles, et l'état exact des derniers électrons détermine les propriétés chimiques d'un élément donné. Les atomes fermioniques dans un piège magnétique obéissent à une règle similaire : à mesure que le gaz se refroidit, les états les plus bas se remplissent. Cependant, à un moment donné, tous les états à faible énergie sont pleins et le nuage ne peut plus rétrécir. Comme pour le BEC, il s’agit d’un phénomène purement quantique, n’ayant rien à voir avec les interactions entre les particules, il devrait donc être observable dans un gaz d’atomes ultrafroids.

Jin a débuté à JILA en 1997 avec un seul étudiant diplômé, Brian DeMarco, qui avait été embauché par Cornell mais qui a commencé à travailler avec Jin sur la recommandation de Cornell. Comme DeMarco se souvient, Cornell lui a dit : « Si vous et Debbie pouvez être les premiers à créer un DFG, ce sera une grosse affaire, et il y a de bonnes chances d'y parvenir. »

Le duo a commencé avec un laboratoire vide, dépourvu même de meubles. Bohn se souvient d'eux assis par terre dans le bureau qu'il partageait avec Jin, assemblant l'électronique pour leurs futurs lasers. En un an, cependant, ils disposaient d'un appareil fonctionnel pour le piégeage magnétique et le refroidissement par évaporation des atomes de potassium fermionique.

La quête d’un DFG pose deux défis au-delà de ceux rencontrés dans la course au BEC. La première d’entre elles est qu’à des températures ultra-basses, les collisions nécessaires à l’étape de rééquilibrage du refroidissement par évaporation cessent de se produire car l’interdiction faite à deux fermions d’être dans le même état les empêche d’entrer en collision. Pour résoudre ce problème, Jin et DeMarco ont placé la moitié de leurs atomes dans un état interne différent, provoquant suffisamment de collisions entre états pour permettre l'évaporation. À la fin du processus, ils pourraient supprimer l’un des deux états et créer une image du reste.

Le deuxième problème est que si la signature expérimentale du BEC est un pic de densité géant au milieu du nuage atomique, la dégénérescence de Fermi est plus subtile. Le phénomène clé du refus des atomes de s’agglutiner se manifeste de manière peu spectaculaire sous la forme du nuage qui cesse de se rétrécir une fois la température de transition atteinte. Pour déterminer comment distinguer le gaz dégénéré du nuage thermique, il a fallu une modélisation minutieuse et un système d'imagerie capable de mesurer de manière fiable de minuscules changements dans la forme de la distribution.

Un gaz de Fermi composé d'atomes

Malgré ces défis, à peine 18 mois après avoir commencé avec une pièce vide, Jin et DeMarco ont publié la première observation d'un gaz de Fermi dégénéré. Quelques années plus tard, les équipes dirigées par Ketterle, Randy Hulet à l'Université Rice, Christophe Salomon à l'ENS de Paris, et John Thomas à l'Université Duke, a suivi.

Jin, quant à lui, a utilisé des lasers et des champs magnétiques pour convertir des atomes dégénérés en molécules, ouvrant ainsi de nouvelles frontières dans la chimie ultra-froide. Ce travail a reçu de nombreuses distinctions, dont une « Bourse de génie » de la Fondation MacArthur, Prix ​​​​I I Rabi de l'American Physical Society (APS) et le Médaille Isaac Newton de l'Institut de Physique. Jin aurait également été une candidate pour un autre prix Nobel de physique des atomes ultra-froids, mais hélas, elle décédé d'un cancer en 2016, et le prix n'est pas décerné à titre posthume.

Au-delà des prix, l’héritage de Jin est substantiel. Le sous-domaine qu’elle a lancé est devenu l’un des domaines les plus importants de la physique atomique, et ses anciens étudiants et collègues continuent de diriger l’étude des fermions ultra-froids. En reconnaissance de son engagement envers le mentorat, l'APS a créé chaque année un prix Deborah Jin pour une thèse de doctorat exceptionnelle en physique atomique, moléculaire ou optique.

Une histoire de découvertes continues

Cette série couvre un peu plus d'un demi-siècle. À cette époque, l’idée d’utiliser des lasers pour manipuler des atomes est passée d’une vaine curiosité dans l’esprit d’un seul physicien des Bell Labs à une technique fondamentale pour un vaste pan de la physique de pointe. Les ions refroidis par laser constituent désormais l’une des plateformes les plus importantes pour le développement de la science de l’information quantique. Les atomes neutres refroidis au laser constituent la base des meilleures horloges atomiques du monde. Et les systèmes quantiques dégénérés observés pour la première fois par Cornell, Wieman, Ketterle et Jin ont engendré un énorme sous-domaine qui relie la physique atomique à la physique et à la chimie de la matière condensée. Les atomes refroidis par laser restent vitaux pour la recherche en physique, et une nouvelle histoire s’écrit quotidiennement dans les laboratoires du monde entier.

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• La source: https://physicsworld.com/a/coldest-how-a-letter-to-einstein-and-advances-in-laser-cooling-technology-led-physicists-to-new-quantum-states-of-matter/