Dans la limite du zéro absolu

2007/05/01 Etxebeste Aduriz, Egoitz - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

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Le nuage des atomes de rubidium est très proche du zéro absolu.

Max-Planck Society

XVIII. Au début du XXe siècle, le physicien Guillaume Amontons conclut que, tout en étudiant la relation entre la température et la pression des gaz, une diminution suffisante de la température signifierait la disparition de la pression, de sorte que la température devait avoir un minimum. Ainsi apparaît pour la première fois le concept de zéro absolu. Et, selon les estimations d'Amontononons, cette limite était à -240 ºC.

Au siècle suivant, Lord Kelvin effectua des calculs plus précis et établit une échelle absolue de température. Les degrés de cette échelle ont la même valeur que ceux de l'échelle Celsius, mais l'échelle Kelvin part du zéro absolu. Le zéro absolu est donc 0 K, et sur l'échelle Celsius -273,15ºC.

Pour comprendre le zéro absolu, la première chose à savoir est la température. La température est l'énergie cinétique des atomes de la matière. Lorsque la matière est chaude, les atomes ou molécules se déplacent rapidement, c'est-à-dire qu'ils ont une grande énergie cinétique.

Lorsque la matière est solide, les atomes sont unis et le mouvement est limité. Dans un gaz, cependant, nous pouvons imaginer que les atomes volent dans toutes les directions. Plus les balles sont chaudes, plus les balles se déplacent rapidement. Ainsi, la température indique la vitesse moyenne de ces boules.

La diminution de la température est donc un amortissement des atomes, et si elle le fait suffisamment, il arriverait à un point où les atomes seraient complètement. Comme il ne peut y avoir de vitesses inférieures à zéro, il ne peut pas y avoir de température inférieure. Il y a le zéro absolu.

Mais il est également impossible d'arrêter complètement un atome, au moins selon le principe d'incertitude de Heisenberg. Le zéro absolu est donc une limite inaccessible. La troisième loi de la thermodynamique dit aussi qu'il est impossible d'atteindre zéro absolu dans un nombre fini d'étapes. Cependant, les scientifiques ont essayé de se rapprocher le plus possible et ont également fait assez.

Approchant zéro

La nébuleuse de Boomerang est la chose la plus froide qui a été trouvée.

ESA; ANDÉN

XIX. Au XIXe siècle, les chercheurs ont découvert que la liquéfaction de plusieurs gaz, comme l'hydrogène, l'oxygène et l'hélium, permettait d'atteindre des températures très basses. Et pour 1908, il avait atteint une température de 4,2 K.

A ces températures froides, certains matériaux obtiennent des 'superpouvoirs'. Certains métaux, par exemple, deviennent des superconducteurs, à savoir leur résistance au courant électrique diminue à zéro. Ils apparaissent également superflus, liquides sans viscosité. C'est le cas de la liquéfaction de l'hélium.

Mais le phénomène le plus curieux est peut-être celui des condensés Bose-Einstein. Il s'agit d'un nouvel état de la matière dans laquelle tous les atomes sont à un niveau quantique d'énergie minimale.

Bien que théoriquement connu précédemment, le premier Bose-Einstein condensé a été obtenu par Eric Cornell et Carl Weiman en 1995. Pour cela, il a fallu atteindre des températures bien inférieures à celles jusqu'alors. Les atomes de rubidium ont d'abord été refroidis au laser puis refroidis par "évaporation" jusqu'à atteindre 170 nanocelvin (10-9 K). Quelques mois plus tard, Wolfgang Ketterle a également obtenu un autre condensat de Bose-Einstein avec des atomes de sodium. Ces trois physiciens ont reçu le prix Nobel de physique de 2001 pour leur travail autour des condensés Bose-Einstein.

Une équipe de chercheurs de l'Institut technologique du Massachusetts, dirigée par Ketterle, a réalisé en 2003 le record de température le plus bas en utilisant la même technique. Les atomes de césium ont réussi à se refroidir à 450 piccovis, c'est-à-dire à 0,00000000045 sur le zéro absolu.

Refroidissement laser

Pour se rapprocher à la fois du zéro absolu, comme cela a été dit, les atomes sont d'abord refroidis par laser. Le laser est un faisceau de photons où tous les photons d'un laser sont égaux, c'est-à-dire qu'ils ont la même énergie.

Tout d'abord, les atomes sont refroidis par laser.

Johannes Gutenberg University

Lorsqu'un photon d'une certaine couleur ou longueur d'onde touche un atome, il absorbe le photon puis l'émet. Le photon a un moment et en aspirant ce moment affecte l'atome. C'est-à-dire qu'en aspirant un photon un atome qui va droit vers le laser, le moment de l'atome diminue autant que le moment du photon. Ou la même chose, le photon pousse l'atome dans le sens inverse, de sorte qu'il amortit. Cette impulsion est très petite. Un photon peut amortir 3 cm/s un atome de sodium et les atomes de sodium ont une vitesse moyenne de 570 m/s à température ambiante. Paralyser les atomes avec les photons équivaut à arrêter une balle de bolo en lançant des boules de ping-pong. Mais avec un laser, l'atome peut absorber 10 millions de photons par seconde.

D'autre part, en émettant le photon, l'atome souffre à nouveau d'une poussée, mais dans ce cas le photon peut sortir dans n'importe quelle direction, au hasard. Ainsi, le moment ou la poussée due à l'émission après plusieurs processus d'absorption sera 0. Par conséquent, l'absorption de photons par les atomes dans le sens inverse de leur mouvement peut provoquer un amortissement de ceux-ci. Au contraire, si un photon attire par derrière un atome en mouvement, le moment de l'atome augmenterait, c'est-à-dire qu'il s'accélérerait et se réchaufferait.

Et étant donné que dans un gaz les atomes se déplacent dans toutes les directions, comment peut-on obtenir que le photon soit absorbé uniquement dans la direction opposée au mouvement des atomes? L'effet Doppler entre en jeu. Selon cet effet, un atome se déplaçant vers le laser verrait la couleur déplacée vers le bleu, tandis que celui qui s'éloigne verrait plus rougeâtre qu'il n'est. Ce changement de couleur ou de longueur d'onde dépend en plus de la vitesse.

Ainsi, le laser d'une certaine couleur n'affectera que les atomes les plus rapides auxquels ils sont confrontés, pas les plus lents ou qui ne vont pas dans la bonne direction. À mesure que les atomes s'amorcent, il faudra réduire la longueur d'onde du laser pour atténuer davantage les atomes. Et si nous plaçons les lasers partout, cet effet est obtenu dans toutes les directions.

Pièges pour atomes

Un autre problème est que ces atomes, bien qu'atténués, restent en mouvement et s'ils touchent les murs, se réchaufferont à nouveau. Pour éviter cela, des pièges laser sont utilisés. Dans les pièges laser, les lasers poussent toujours les atomes vers le centre, et l'atome qui va sortir du centre trouve toujours un autre laser qui le repousse vers le centre. Pour cela, un champ magnétique se forme qui change de centre en extérieur. Le champ magnétique change légèrement la couleur du laser et reproduit ce qui se passait avant avec l'effet Doppler. Mais si auparavant la poussée provoquée par le laser dépendait de la vitesse et de la direction de l'atome, maintenant dépendra de la position.

Ainsi, les atomes peuvent être refroidis à un point, environ 0,0001 K. Mais si vous voulez refroidir plus, vous devez laisser les photons de côté. En fait, les photons continuent de donner de petites poussées aux atomes amortis, mouvements qui ne permettent pas d'atteindre la température souhaitée.

Dans la boîte, vous pouvez voir le nuage d'atomes maintenu au centre par le champ magnétique.

Johannes Gutenberg University

Pour continuer à réduire la température, il faut d'abord que les atomes restent au centre sans toucher les murs chauds, mais sans l'aide des photons. Ceci est fait avec un autre piège, un piège magnétique. Il utilise un puissant champ magnétique qui agit directement sur les atomes, et si le champ magnétique est approprié, les atomes peuvent rester au centre.

Une fois obtenu, on peut continuer avec l'"évaporation" en refroidissant ces atomes froids. Dans ce cas, le principe est le même que lorsque le bouillon est refroidi. Les particules les plus énergétiques du bouillon sont fuites sous forme de vapeur. Ce faisant, ils portent un peu de chaleur et les atomes qui restent dans le solde sont refroidis. Car les atomes froids font de même; ceux qui ont le plus d'énergie sont autorisés à échapper au piège magnétique. Pour ce faire, le champ magnétique diminue progressivement, ceux qui ont plus d'énergie sont retirés et ceux qui restent refroidis plus.

On obtient ainsi le condensat Bose-Einstein. Il n'est pas facile de comprendre ce qui se passe dans ce nouveau type de matières, car il n'a rien à voir avec la matière commune. Tous les atomes sont dans le même état quantique, au niveau le plus bas. Cela signifie que tous les atomes sont exactement les mêmes et ils se déplacent tous à la fois, en parfaite synchronisation. Il est donc impossible de séparer un atome de l'autre. De plus, tous les atomes occupent la même place, tous forment une masse commune. C'est pourquoi il y a ceux qui les ont appelés des superatomes.

La matière la plus froide jamais obtenue est la condensation du Bose-Einstein du césium ou du superatome de césium. Cependant, ce superatome a encore du mouvement, a de l'énergie et a donc la température. Il n'est pas tout à fait froid, mais il est là, à la limite du zéro absolu.

Bose et Einstein

Satyendra Nath Bose

(Photo: F. Sarkar)

Au début des années 1920, le physicien indien Satyendra Nath Bose cherchait une théorie, la mécanique quantique, complètement nouvelle à l'époque. Selon cette théorie, la lumière est formée de petites particules discrètes. Ces particules sont actuellement appelées photons. Ainsi, Bos a établi des règles pour savoir si les photons sont identiques ou non.

Albert Einstein

(Photo: J.O. Turner)

Bos avait du mal à publier ses recherches et l'a envoyé à Einstein. Il a aimé et a réussi à le publier. Puis Einstein appliqua les mêmes règles aux atomes, et calcula que si les atomes étaient suffisamment refroidis, quelque chose d'étrange pourrait se produire : que les atomes "tombaient" au niveau quantique inférieur et qu'un nouveau type de matière serait formé : Bose-Einstein condensé.

Mesure de la température

Une façon de mesurer la température des atomes est de mesurer la taille du nuage d'atomes existant dans un champ magnétique. Plus les atomes ont d'énergie, plus ils peuvent se déplacer contre les forces magnétiques et, par conséquent, plus le nuage est grand.

En haut de l'image, vous pouvez voir l'ombre du nuage d'atomes. Comme la température baisse, l'ombre est compacte. En bas, vous pouvez voir le nombre d'atomes existants dans chaque vitesse ou énergie cinétique. Le rouge correspond à la vitesse la plus basse. Dans celle de gauche, le condensat n'a pas encore été formé, dans la centrale, le condensat vient d'apparaître et dans celle de droite il a encore refroidi.

(Photo: MIT)

Pour mesurer la taille du nuage atomique est éclairé au laser. Les atomes absorbent cette lumière et le nuage fait ombre. Avec les lentilles appropriées, vous pouvez prendre l'image de cette ombre et la mesurer. Comme les champs magnétiques sont connus, la mesure du nuage sert à connaître la température.

Une autre méthode est de mesurer l'énergie cinétique des atomes. Pour ce faire, le champ magnétique est brusquement supprimé. Faute de forces magnétiques, le nuage atomique commence à se développer. Et l'expansion dans le temps dépend de la vitesse des atomes (et donc de la température).