Condensats de
Bose-Einstein
La petite histoire
Comprendre simplement
Domaines de présence
Son interprétation dans l'avenir
Les références
Mais encore
by Pepe ©
 
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La petite histoire  Up Page
Origine, raisons, hasard
Ils ne s'agitent pas dans tous les sens comme dans un gaz, ils ne glissent pas les uns sur les autres comme dans un liquide ni ne sont fixés ensemble comme dans un solide. Non, ils ondulent. Ils sont dans un nouvel état de la matière, un état très bizarre qui n'a probablement jamais existé naturellement dans l'Univers.
 
Prédiction
Tout a commencé par une prédiction des années 1920, au début de la mécanique quantique: les physiciens découvrent qu'un atome, considéré jusqu'alors comme une particule matérielle, se compose sous certaines conditions comme une onde. Et quand on baisse la température d'une assemblée d'atomes, c'est-à-dire qu'on limite le mouvement des uns par rapport aux autres, la longueur d'onde associée à chacun d'entre eux grandit. Inspiré par les travaux du physicien indien Satyendranâth Bose, Albert Einstein monte, en 1924, que pour un certain type d'atomes et de molécules à l'état gazeux, il existe une température théorique critique, très proche du zéro absolu, à partir de laquelle leur longueur d'onde individuelle devient plus grande que la distance moyenne qui les sépare. Les ondes finissent par toutes se recouvrir et s'enchevêtrer. Du coup, les vitesses et directions de chacun sont identiques. Ils forment une "onde géante", un "superatome". C'est ce qu'on appelle un condensat de Bose-Einstein.

Comprendre simplement  Up Page
La matière bat à l'unisson
Atomes d'hydrogène, d'oxygène ou de rubidium, molécules d'eau, de dilithium ou de dioxyde de carbone, denombreux corps matériels peuvent en principe entrer dans cet état: il suffit qu'ils contiennent un nombre impair de sous-particules (neutrons, protons ou électrons). Baptisés aujourd'hui "bosons", en hommage au chercheur indien, ces atomes ou molécules ont beau être des millions, dans un condensat, ils ne sont plus qu'un.
Toutes les individualités dont dissoutes dans un seul et même comportement collectif, une pure vibration quantique, où la matière bat à l'unisson. Cette prédiction paraissait si surprenante à Einstein qu'il écrivit en 1924: "La théorie est très belle, mais contient-elle une quelconque vérité ?"
Ce nouvel état de la matière a été pour la première fois réalisé en 1995 par Eric Cornell et Carl Wieman de l'institut JILA (Colorado), et par Wolfgang Ketterle du MIT, tous trois américains et prix Nobel en 2001. Aujourd'hui, avec plus de cent groupes de recherche dans le monde et plus de mille publications par an, ce monde des atomes froids n'a jamais été aussi chaud. Car loin de n'être qu'une curiosité quantique, le condensat promet d'être une des plus fantastiques innovations de la physique moderne.

Domaines de présence  Up Page
Condensats de photons
Les lasers, dont l'existence avait, elle aussi, été prévue dès la naissance de la mécanique quantique, sont en quelque sorte des "condensats de photons": les particules de lumière qui composent leurs faisceaux ont toute la même direction et la même longueur d'onde. S'il a fallu attendre les années 1960 pour les mettre au point, ces lasers ont été une véritable révolution technologique. Toutes les autres sources de lumière, comme les lampes à décharges ou à incandescence, émettent en effet dans des directions aléatoires des photons de longueurs d'ondes différentes.
Avec les condensats de Bose-Einstein, les physiciens disposent aujourd'hui d'une source qui confère à tous les bosons une longueur d'onde et une vitesse identiques. Ils commencent en fait à réaliser avec la matière ce qu'ils avaient fait quarante ans plus tôt avec la lumière ! Ils attendent donc à une nouvelle révolution technologique.
Sachant que les millions d'atomes qui composent un condensat sont dans un état parfaitement connu (puisque c'est le même pour tous), il devient en effet possible d'alimenter des canons à particules à la précision ultime, des "lasers de matière" émettant, un par un, des millions d'atomes ou de molécules en ondulation identique.
 
Perspectives
"En appliquant des champs magnétiques appropriés à des condensats en forme de boule, ou d'ellipse, nous sommes désormais capables de choisir la nature même des interactions des atomes ! Nous pourrions ainsi contraindre ces atomes, pourtant identiques, soit à se repousser, soit à s'attirer ... un peu comme si nous disposions d'un 'bouton' pour décider de leurs propriétés. Les condensats de Bose-Einstein permettront sans doute de fabriquer des lasers à atomes, d'améliorer encore les performances des horloges atomiques, voire concevoir et construire des ordinateurs quantiques. Mais il existe sûrement d'autres innovations que personne n'a encore imaginées. C'est la première fois que le contrôle de la matière par l'homme se fait de façon aussi précise." Claude Cohen-Tannoudji, professeur au Collège de France, prix Nobel de physique.

Son interprétation dans l'avenir  Up Page
Le laser à atomes
Et de cinq ! Après l'hydrogène, le lithium, le sodium et le rubidium, un nouvel élément chimique, l'hélium, rejoint le clan des "condensats". L'équipe d'Alain Aspect, chercheur au laboratoire Charles-Fabry de l'Institut d'optique d'Orsay, vient en effet d'obtenir un condensat de Bose-Einstein constitué d'hélium. A peine une semaine plus tard, une seconde équipe de scientifiques français, celle du prix Nobel de physique Claude Cohen-Tannoudji et de Michèle Leduc, à l'Ecole normale supérieure de Paris, réussissait le même exploit.
Dans cet état particulier de la matière, prédit dans les années 20 par les physiciens Albert Einstein et Satyendranath Bose, un groupe d'atomes est piégé et refroidi à une température proche du zéro absolu (0 Kelvin, soit -273,15° Celcius) grâce à la combinaison d'un puissant champ magnétique et de lasers magnéto-optiques. Dans un condensat de Bose-Einstein, les ondes de tous les atomes sont en phase, constituant une onde amplifiée de matière cohérente, une sorte de méga-atome.
En envoyant une onde radio au travers de cet amas ultrafroid, on peut libérer de l'emprise du champ magnétique quelques atomes, qui tombent alors littéralement en "gouttes de matière".
Cette dégringolade d'atomes très énergétiques forme un laser atomique. Dans le futur, ce type de laser pourrait graver presque n'importe quel matériau à l'échelle atomique, c'est-à-dire atteindre des gravures de l'ordre de 0,1 nm ! Il devrait faire le bonheur des nanotechnologies.

Les références  Up Page
Réseau Pepe
BE Etats-Unis
Science & Vie février 2004 n1037
Science & Vie avril 2004 n1039
 
Pourquoi ce site
Je crois que, si les êtres humains que nous sommes ne parviennent pas toujours à évoluer comme ils le souhaiteraient _à s'épanouir professionnellement, sentimentalement et sexuellement (ce que j'appelle les "trois pôles d'intérêts", en psychologie)_ c'est parce qu'il y a des barrages qui entravent leur désir d'accéder à un rêve inachevé. Je pars du principe que tout est possible, à condition de s'entourer de gens qui nous poussent à croire en nous.
 
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Mais encore  Up Page
Supermolécules
Par hasard, alors qu'ils étudiaient les transferts d'énergie entre atomes et molécules, David Chandler et ses collègues des laboratoires nationaux de Sandia et de l'université de Columbia (Etats-Unis) ont trouvé un nouveau moyen de refroidir les molécules. Leur expérience consistait à bombarder à coup d'atomes d'argon des molécules d'oxyde nitrique en mouvement. Ces dernières se sont trouvées quasi stoppées, leur vitesse passant de quelques centaines à quelques mètres par seconde.
Or, à cette échelle, la vitesse équivaut à la température: une molécule que l'on stopperait totalement atteindrait ainsi le zéro absolu (-273,15°C). Les molécules "ralenties" ont donc été refroidies à quelques dizaines de millidegrés au-dessus du zéro absolu. Ces collisions ouvrent la voie à un nouveau procédé de refroidissement des molécules. Car, si l'on sait refroidir des atomes à l'aide de lasers, les molécules plus complexes sont très difficiles à ralentir.
Or, refroidir des atomes ou des molécules, c'est un pas vers un vieux rêve de physicien: le condensat de Bose-Einstein, cet état de la matière obtenu pour la première fois en 1995. Refroidis à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu, atomes et molécules sont alors si parfaitement contrôlés qu'ils se comportent comme s'ils ne faisaient qu'un. Comme les photons dans une cavité laser.
 
Ordinateur optique
Des scientifiques de l’Université de Harvard ont montré comment des atomes ultra-froids peuvent être employés pour congeler et contrôler la lumière afin de former le cœur ou l’unité centrale d’un ordinateur optique. Les ordinateurs optiques transporteraient l’information dix fois plus rapidement que les dispositifs électroniques traditionnels, pulvérisant ainsi la limite de vitesse intrinsèque de la technologie au silicium.
Cette nouvelle étude pourrait être une découverte importante dans la recherche pour créer des ordinateurs extrêmement véloces qui utiliseraient la lumière au lieu des électrons pour traiter l’information. Le Professeur Lene Hau est l’une des plus grandes autorités dans le domaine de la "lumière lente". Son groupe de recherche est devenu célèbre pour avoir réussi à ralentir la lumière, qui voyage normalement à 300 000 km par seconde à une vitesse inférieure à celle d’une bicyclette. En utilisant le même appareil, qui contient un nuage d’atomes ultra-froids de sodium, ils sont même parvenus à figer complètement la lumière. Le Professeur Hau indique que cela pourrait avoir des applications pour les mémoires de stockage des futures générations d’ordinateurs optiques.
Les plus récentes recherches du professeur Hau abordent de front la question des ordinateurs optiques. Elle a calculé que des atomes ultra-froids connus sous le nom de Condensat de Bose-Einstein (CBE) peuvent être utilisés pour exécuter un "traitement logique contrôlé" à l’aide de la lumière. Dans la matière ordinaire, l’amplitude et la phase d’une pulsation lumineuse seraient dégradées, et toute information serait perdue. Les travaux de Hau sur la lumière lente, cependant, ont prouvé expérimentalement que ces attributs peuvent être préservés dans un CBE. Un tel dispositif pourrait un jour devenir l’unité centrale de traitement d’un ordinateur optique.
 
Une anomalie dans le comportement ferromagnétique des nanostructures
Les matériaux ferromagnétiques tels le fer, le cobalt ou le nickel s'aimantent sous l'action d'un champ magnétique extérieur: cette aimantation augmente avec l'intensité du champ pour finalement atteindre une valeur de saturation caractéristique du matériau. Cette valeur dépend de la température: elle augmente quand la température décroît, et ces variations de l'aimantation suivent la loi de Bloch, en T3/2 (ou T est la température absolue).
Une publication récente de chercheurs du NIST (National Institute of Standards) dans Physical Review Letters rapporte que les matériaux ferromagnétiques nanostructures peuvent ne plus suivre cette loi dans le domaine des très basses températures, avec une aimantation qui augmente beaucoup plus rapidement que prévu par la théorie à l'approche du zéro absolu. Les auteurs pensent que cette anomalie qu'ils décrivent comme un retournement de l'aimantation peut être due au phenomene quantique connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein. Dans leur article, les chercheurs proposent d'etendre la validite de la loi de Bloch aux nanostructures en introduisant un terme d'énergie supplémentaire associé au processus qui dépend de la température. Il s'agit maintenant pour les chercheurs de déterminer quelle est l'influence de la taille, de la forme et des autres caractéristiques de ces nanosystèmes magnétiques sur la condensation de Bose-Einstein. Ce sont des questions fondamentales pour la compréhension du ferromagnétisme, mais dont les implications technologiques peuvent s'avérer importantes, notamment pour la spintronique ou l'enregistrement magnétique.