02.08.2022 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Un réfrigérateur à micro-ondes nanokelvin pour les molécules

Une nouvelle méthode pour refroidir les gaz de molécules polaires jusqu'à une température proche du zéro absolu ouvre la voie à l'étude des effets quantiques de formes de matière exotiques

Des chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique ont mis au point une nouvelle technique de refroidissement des gaz moléculaires, qui permet de refroidir des molécules polaires à quelques nanokelvins près. L'astuce de l'équipe de Garching pour surmonter cet obstacle est basée sur un champ de micro-ondes rotatif. Il aide à stabiliser les chocs entre les molécules pendant le refroidissement grâce à un écran de protection énergétique. Les chercheurs de Max Planck ont ainsi réussi à refroidir un gaz composé de molécules de sodium et de potassium jusqu'à 21 milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Ils ont ainsi établi un nouveau record de cryogénie. Grâce à cette nouvelle technique, il sera possible à l'avenir de produire et d'étudier de nombreuses formes de matière quantique qui n'étaient pas accessibles expérimentalement jusqu'à présent.

Lorsqu'un gaz très dilué est refroidi à des températures extrêmement basses, des propriétés bizarres apparaissent. Ainsi, certains gaz forment ce que l'on appelle un condensat de Bose-Einstein - un type de matière dans laquelle tous les atomes se déplacent en même temps. Un autre exemple est la suprasolidarité : un état dans lequel la matière se comporte comme un liquide fluide avec une structure périodique. Les physiciens s'attendent à des formes de matière quantique particulièrement variées et révélatrices lorsqu'ils refroidissent des gaz composés de molécules polaires. Elles se caractérisent par une répartition irrégulière de la charge électrique. Contrairement aux atomes libres, elles peuvent tourner, vibrer et s'attirer ou se repousser mutuellement. Il est toutefois difficile de refroidir les gaz moléculaires à des températures ultra-basses.

Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck d'optique quantique à Garching a désormais créé un moyen simple et efficace d'éliminer cet obstacle. Elle est basée sur un champ tournant de micro-ondes.

Un processus semblable à celui d'une tasse de café

Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un gaz composé de molécules de sodium et de potassium (NaK) enfermées dans un piège optique par la lumière laser. Pour refroidir le gaz, l'équipe a eu recours à une méthode qui a fait ses preuves depuis longtemps pour refroidir des atomes non liés : le refroidissement par évaporation. "Cette méthode fonctionne selon un principe similaire à celui d'une tasse de café chaud", explique Xin-Yu Luo, directeur du laboratoire des molécules polaires ultra-froides au sein du département des systèmes quantiques à particules multiples de l'Institut Max Planck d'optique quantique : "Dans le café, les molécules d'eau entrent constamment en collision et échangent ainsi une partie de leur énergie cinétique. Si deux molécules particulièrement riches en énergie entrent en collision, l'une d'entre elles peut devenir suffisamment rapide pour échapper au café - elle s'échappe de la tasse en émettant de la vapeur. L'autre molécule reste en arrière avec moins d'énergie. Le café se refroidit ainsi progressivement. De la même manière, un gaz peut être refroidi jusqu'à quelques nanokelvins - un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu à moins 273,15 degrés Celsius.

Toutefois, "si le gaz est composé de molécules, celles-ci doivent être stabilisées en plus à des températures très basses", explique Luo. Cela s'explique par la structure nettement plus complexe des molécules par rapport aux atomes non liés. De ce fait, il est difficile de contrôler leurs mouvements lors des collisions. Les molécules peuvent s'accrocher les unes aux autres lors des collisions. Dans le cas des molécules polaires, il faut ajouter : "Elles se comportent comme de minuscules aimants et peuvent - comme eux - s'agglutiner, ce qui les fait perdre pour l'expérience", explique Andreas Schindewolf, chercheur dans l'équipe de Xin-Yu Luo. Ces difficultés se sont révélées être un énorme obstacle à la recherche au cours des dernières années.

Les micro-ondes tiennent les molécules à distance

Pour éliminer cet obstacle, les chercheurs de Garching ont eu recours à une astuce : l'utilisation supplémentaire d'un champ électromagnétique spécialement préparé qui sert de bouclier énergétique aux molécules - et les empêche de s'accrocher et de s'agglutiner. "Nous avons réalisé cet écran énergétique grâce à un champ de micro-ondes puissant et rotatif", explique Andreas Schindewolf. "Le champ provoque une rotation des molécules à une fréquence plus élevée". Lorsque deux molécules se rapprochent trop, elles peuvent certes échanger de l'énergie cinétique - mais en même temps, elles s'orientent l'une vers l'autre de telle sorte qu'elles se repoussent et s'éloignent rapidement l'une de l'autre.

Pour créer un champ de micro-ondes avec les propriétés requises, les chercheurs ont placé une antenne hélicoïdale sous le piège optique contenant le gaz de molécules de sodium et de potassium. "Cela a permis de réduire de plus d'un ordre de grandeur la vitesse à laquelle les molécules s'accrochaient les unes aux autres", rapporte Xin-Yu Luo. De plus, sous l'influence du champ, une interaction électrique forte et étendue s'est produite entre les molécules. "Elles se sont par conséquent heurtées beaucoup plus souvent que sans le champ rotatif de micro-ondes - en moyenne environ 500 fois par molécule", explique le physicien. "Cela a suffi pour refroidir le gaz par effet d'évaporation jusqu'à un niveau proche du zéro absolu".

Un nouveau record de cryogénie

Au bout d'un tiers de seconde seulement, la température atteignait environ 21 nanokelvins - et était donc nettement inférieure à la "température de Fermi" critique. Celle-ci marque la limite à partir de laquelle les effets quantiques déterminent le comportement d'un gaz - et des phénomènes bizarres se font sentir. "La température que nous avons atteinte est la plus basse à ce jour dans un gaz composé de molécules polaires", se réjouit Luo. Et le chercheur de Max Planck est convaincu qu'ils peuvent même atteindre des températures bien plus basses grâce à des affinements techniques du dispositif expérimental.

Les résultats pourraient avoir des conséquences importantes pour la recherche sur les effets quantiques et la matière quantique. "Comme la nouvelle technique de refroidissement est si simple qu'elle peut être intégrée dans la plupart des montages expérimentaux avec des molécules polaires ultrafroides, la méthode devrait bientôt trouver une large application - et contribuer à plusieurs nouvelles découvertes", estime Immanuel Bloch, directeur du département des systèmes quantiques à multiples particules. "Car le refroidissement par champ de micro-ondes n'ouvre pas seulement la voie à une série de nouvelles études sur des états de la matière particuliers comme la superfluidité ou la supersolidité", explique Bloch. "Il pourrait en outre être utile dans les technologies quantiques". Par exemple dans les ordinateurs quantiques, où les données pourraient peut-être être stockées par des molécules ultra-froides. "Pour les chercheurs qui travaillent sur les molécules polaires ultrafroides, c'est une période vraiment passionnante", se réjouit Xin-Yu Luo.

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.

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