Les physiciens amènent les molécules à une nouvelle limite ultra-froide, créant un état de la matière où règne la mécanique quantique

Il y a un nouveau BEC en ville qui n'a rien à voir avec du bacon, des œufs et du fromage. Vous ne le trouverez pas dans votre bodega locale, mais dans l'endroit le plus froid de New York : le laboratoire du physicien colombien Sebastian Will, dont le groupe expérimental est spécialisé dans la poussée des atomes et des molécules à des températures à quelques fractions de degré au-dessus du zéro absolu.

Écrire dans Naturele laboratoire Will, soutenu par le collaborateur théorique Tijs Karman de l'Université Radboud aux Pays-Bas, a réussi à créer un état quantique unique de la matière appelé condensat de Bose-Einstein (BEC) à partir de molécules.

Leur BEC, refroidi à seulement cinq nanoKelvin, ou environ -459,66°F, et stable pendant deux secondes étonnamment longues, est composé de molécules de sodium-césium. Comme les molécules d’eau, ces molécules sont polaires, ce qui signifie qu’elles portent à la fois une charge positive et une charge négative. La répartition déséquilibrée de la charge électrique facilite les interactions à longue portée qui constituent la physique la plus intéressante, a noté Will.

Les recherches que le laboratoire Will est ravi de poursuivre avec leurs BEC moléculaires comprennent l'exploration d'un certain nombre de phénomènes quantiques différents, notamment de nouveaux types de superfluidité, un état de la matière qui s'écoule sans subir de friction. Ils espèrent également transformer leurs BEC en simulateurs capables de recréer les propriétés quantiques énigmatiques de matériaux plus complexes, comme les cristaux solides.

“Les condensats moléculaires de Bose-Einstein ouvrent de tout nouveaux domaines de recherche, depuis la compréhension de la physique véritablement fondamentale jusqu'à l'avancement de puissantes simulations quantiques”, a-t-il déclaré. “C'est une réalisation passionnante, mais ce n'est en réalité que le début.”

C’est un rêve devenu réalité pour le laboratoire Will et un rêve qui a pris des décennies pour la communauté de recherche sur les températures ultra-froides dans son ensemble.

Pour faire plus froid, ajoutez des micro-ondes

Les micro-ondes sont une forme de rayonnement électromagnétique ayant une longue histoire en Colombie. Dans les années 1930, le physicien Isidor Isaac Rabi, qui allait recevoir le prix Nobel de physique, a réalisé des travaux pionniers sur les micro-ondes qui ont conduit au développement de systèmes radar aéroportés.

“Rabi a été l'un des premiers à contrôler les états quantiques des molécules et a été un pionnier de la recherche sur les micro-ondes”, a déclaré Will. “Notre travail s'inscrit dans cette tradition vieille de 90 ans.”

Même si vous connaissez peut-être le rôle des micro-ondes pour réchauffer vos aliments, il s’avère qu’ils peuvent également faciliter le refroidissement. Les molécules individuelles ont tendance à se heurter les unes aux autres et forment ainsi des complexes plus grands qui disparaissent des échantillons. Les micro-ondes peuvent créer de petits boucliers autour de chaque molécule qui les empêchent d'entrer en collision, une idée proposée par Karman, leur collaborateur aux Pays-Bas.

Les molécules étant protégées contre les collisions avec perte, seules les plus chaudes peuvent être préférentiellement retirées de l'échantillon – le même principe physique qui refroidit votre tasse de café lorsque vous soufflez dessus, a expliqué l'auteur Niccolò Bigagli. Les molécules restantes seront plus froides et la température globale de l’échantillon baissera.

L'équipe a failli créer un BEC moléculaire l'automne dernier dans des travaux publiés dans Physique naturelle qui a introduit la méthode de blindage micro-ondes. Mais une autre tournure expérimentale était nécessaire. Lorsqu’ils ont ajouté un deuxième champ micro-ondes, le refroidissement est devenu encore plus efficace et le sodium-césium a finalement franchi le seuil BEC – un objectif que le laboratoire Will avait nourri depuis son ouverture à Columbia en 2018.

“C'était une clôture fantastique pour moi”, a déclaré Bigagli, diplômé de son doctorat. en physique ce printemps et a été membre fondateur du laboratoire. “Nous sommes passés de l'absence de laboratoire à ces résultats fantastiques.”

En plus de réduire les collisions, le deuxième champ micro-onde peut également manipuler l'orientation des molécules. Cela constitue à son tour un moyen de contrôler la façon dont ils interagissent, ce que le laboratoire explore actuellement. “En contrôlant ces interactions dipolaires, nous espérons créer de nouveaux états quantiques et phases de la matière”, a déclaré Ian Stevenson, co-auteur et postdoctorant à Columbia.

Un nouveau monde pour la physique quantique s'ouvre

Ye, un pionnier de la science ultra-froide basé à Boulder, considère les résultats comme une belle œuvre scientifique. “Ces travaux auront des impacts importants sur un certain nombre de domaines scientifiques, notamment l'étude de la chimie quantique et l'exploration de matériaux quantiques fortement corrélés”, a-t-il commenté. “L'expérience de Will comporte un contrôle précis des interactions moléculaires pour orienter le système vers un résultat souhaité : une merveilleuse réalisation dans la technologie du contrôle quantique.”

L’équipe de Columbia, quant à elle, est ravie de disposer d’une description théorique des interactions entre molécules qui a été validée expérimentalement. “Nous avons vraiment une bonne idée des interactions dans ce système, ce qui est également essentiel pour les prochaines étapes, comme l'exploration de la physique dipolaire à N corps”, a déclaré Karman. “Nous avons mis au point des schémas pour contrôler les interactions, les avons testés en théorie et les avons mis en œuvre dans l'expérience. Cela a été vraiment une expérience incroyable de voir ces idées de “blindage” micro-ondes se concrétiser en laboratoire.”

Il existe des dizaines de prédictions théoriques qui peuvent désormais être testées expérimentalement avec les BEC moléculaires, co-premier auteur et doctorant. l'étudiant Siwei Zhang a noté, sont assez stables. La plupart des expériences ultra-froides se déroulent en une seconde, certaines aussi courtes que quelques millisecondes, mais les BEC moléculaires du laboratoire durent plus de deux secondes. “Cela nous permettra réellement d'étudier des questions ouvertes en physique quantique”, a-t-il déclaré.

Une idée consiste à créer des cristaux artificiels avec les BEC piégés dans un réseau optique constitué de lasers. Cela permettrait de réaliser de puissantes simulations quantiques imitant les interactions dans les cristaux naturels, a noté Will, qui est un domaine d'intérêt de la physique de la matière condensée.

Les simulateurs quantiques sont généralement fabriqués avec des atomes, mais les atomes ont des interactions à courte portée (ils doivent pratiquement être les uns sur les autres), ce qui limite leur capacité à modéliser des matériaux plus complexes. “Le BEC moléculaire introduira plus de saveur”, a déclaré Will.

Cela inclut la dimensionnalité, a déclaré le co-premier auteur et doctorant. étudiant Weijun Yuan. “Nous aimerions utiliser les BEC dans un système 2D. Lorsque vous passez de trois dimensions à deux dimensions, vous pouvez toujours vous attendre à l'émergence d'une nouvelle physique”, a-t-il déclaré. Les matériaux 2D constituent un domaine de recherche majeur à Columbia ; disposer d'un système modèle constitué de BEC moléculaires pourrait aider Will et ses collègues de la matière condensée à explorer des phénomènes quantiques, notamment la supraconductivité, la superfluidité, etc.

“Il semble qu'un tout nouveau monde de possibilités s'ouvre”, a déclaré Will.