Les Atomes Froids : Une physique sexy

Jila
Photo prise au Jila (Colorado) : un nuage d’atomes froids

Ha les fameux atomes ultra-froids, parlons-en ! J’ai demandé un jour à ma collègue et néanmoins amie thésarde dans le labo où je fais mon stage pourquoi diable a-t-elle choisi de passer 3 ans à trimer sous les coups de fouet (« Et tout ça pour qui ??...POUR CESAR ! ») dans ce domaine bizarre à la première écoute : « les atomes ultra-froids ». Et là j’ai eu la réponse : « Les atomes froids ?! Ben parce que c’est Sexy ! » . J’ai immédiatement adoré l'idée. Après tout, comme dit le philosophe des Sciences Etienne Klein, « ré-érotisons la science ». Allez un peu de sérieux.

Cette branche tant intrigante que fascinante de la physique quantique expérimentale et théorique trouve sa singularité grâce aux diverses techniques de refroidissement des atomes qui ont vu le jour particulièrement en France à la fin des années 80. En effet, à des températures suffisamment basses ce sont les lois de la mécanique quantique qui régissent le mouvement collectif des atomes. En physique quantique, une particule se comporte comme une onde (dualité onde-corpuscule) et sa longueur d’onde a tendance à s’étaler beaucoup quand la vitesse de la particule devient petite (ça se refroidit !). C’est à partir du moment où les longueurs d’onde associées à chaque atome commencent à être de l’ordre de la distance moyenne entre chacun de ces atomes que les effets quantiques apparaissent. Les atomes se recouvrent tous ! Impossible comme sur un billard de dire quelle boule est quelle boule, même les étiqueter avec un numéro n’y changerait rien, ça n’a plus aucun sens, ils sont indiscernables, un nouveau monde apparait : le monde quantique.

Dégénération quantique

Il se manifeste alors de nouveaux phénomènes extraordinaires, hors de portée de notre intuition habituelle et qui sont inévitablement détruits par les fluctuations thermiques du monde « chaud » à notre échelle dont nous faisons l’expérience chaque jour. C’est dès la seconde moitié du XXème siècle que l’avènement du Laser a permis d’ouvrir la voie à de nouvelles expériences d’interaction entre la lumière et la matière. Mais alors Jamy comment on fait pour refroidir des atomes ? Et bien disons qu’il faut d’abord se demander qu’est-ce qui peut bien dicter le sens de la queue d’une comète pour bien intuiter le phénomène. C’est le soleil bien sûr ! Ou plutôt le rayonnement puissant du soleil constitué d’un très très grand nombre de photons (les grains de lumière) tous animés d’une impulsion qui, globalement, repoussent et font reculer dans une même direction toutes les poussières de la comète qui s’échappent de sa surface.

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laser

On imagine bien qu’un Laser, ça comporte aussi beaucoup de ces petits photons et qu’un faisceau peut donc exercer une force assez importante, c’est ce qu’on appelle la force de pression de radiation. Du coup, on a eu l’idée de placer un gaz d’atomes (bien choisis) à un endroit où l’on envoie des faisceaux lasers dans les 6 directions de l’espace (haut, bas, droite, gauche, avant, arrière) de manière à ralentir et à piéger ces atomes. D’où les atomes froids ! Ces techniques de refroidissement initiées par Claude Cohen-Tannoudji (prix Nobel Français 1997) et son équipe ont porté ses fruits et ont conduit à la réalisation en 1995 du premier condensat de Bose-Einstein, une Belle au bois dormant des papiers théoriques d’Einstein (et de Bose) endormie depuis près de 70 ans (sacré Albert, toujours dans les bons coups). Il s’agissait de la première observation d’un tout nouvel état de la matière.

En effet, des particules identiques que l’on nomme des « Bosons » (cela peut être des atomes ou d’autres particules) possèdente l’étonnante propriété, dûe à leur nature quantique, de tous s’accumuler dans le même état en dessous d’une certaine température et se comportent ainsi collectivement comme une seule et unique onde géante, une onde de matière en somme ! Etonnant non ?!

Depuis lors, de nombreuses expériences produisant des condensats ont vu le jour un peu partout dans le monde. Au fur et à mesure, les physiciens ont appris à dompter ces gaz quantiques d’atomes ultra-froids. C’est au travers d’un control très précis des divers paramètres mis en jeu que l’on peut dorénavant s’atteler à l'immense challenge de l’étude des systèmes quantiques complexes ne serait-ce que pour tenter de comprendre le transport des électrons dans les matériaux supraconducteurs à haute température critique, question encore largement ouverte et débattue aujourd’hui constituant un verrou technologique majeur.

condensat
1995 : première observation d’une onde de matière géante avec des atomes froids, c’est le condensat de Bose-Einstein.

supra
Matériau supraconducteur faisant léviter un aimant par effet Meissner. Dans un tel matériau refroidi à l’azote liquide, ce sont les électrons qui s’organisent pour former une onde géante : c’est la supraconductivité.

Oui. Condensat, superfluidité et supraconductivité sont des phénomènes de physique quantique intimement liés se manifestant tant en physique des matériaux, en physique atomique qu’en physique nucléaire (et même dans les étoiles à neutrons, c’est pour dire !). Les atomes froids permettent ainsi d’accéder à des informations cruciales dans la compréhension de ces phénomènes quantiques collectifs universels. Chaque expérience d’atomes froids possède son propre but précis d’étude et c’est pourquoi on les appelle parfois des « simulateurs quantiques » : là où un ordinateur échoue en raison de la complexité extrême des systèmes quantiques, les expériences peuvent apporter des réponses décisives (Merci pour l’idée Monsieur Feynman !).

Alors oui, que c’est beau ces histoires d’atomes froids, cette danse majestueuse et élégante de la lumière et des atomes dans le clair-obscur des cavités optiques où onde et matière jouent une musique subtile sur une partition commune... Bon en fait, on ne va pas se mentir. Au-delà de ces jolies envolées lyriques sur les "licornes" de la physique, on prend un sacré coup sur la tête lorsque l'on pénètre pour la première fois dans l’une de ces fameuses « salles de manip’ ». C’est juste un énorme bazarre en apparance, je n'osais dire le bord**, on pourrait y tourner un clip de death metal ! Une vraie jungle électronique. Des câbles qui dépassent de partout et qui couvrent les murs, qui tombent du plafond comme des lianes, des tuyaux dans tous les sens, des tables couvertes de composants optiques, lasers à droite, lasers à gauche et tout cela disposés selon une logique extrême dont on ne saurait au premier regard soupçonner l’existence...ouf !

manip
une salle de manip’ typique d’atomes froids.

morbid
le CD de Morbid Angel (on embrasse très fort Morbid au passage) à
écouter en réglant son MOPA préféré.

C’est là, en allant sur les lieux qu’on peut vraiment se rendre compte du travail de titan, de la persévérance des chercheurs et du temps qu’il faut pour commencer à obtenir des résultats prometteurs...La recherche en physique fondamentale est un processus nécessairement long.

L’engouement extraordinaire des chercheurs depuis les 20 dernières années dans l’étude de ces gaz d’atomes ultra-froids ne cesse de s’étendre et de s’accélérer. En Ile de France, s’est constitué un pôle, l’IFRAF, rassemblant l’ensemble des laboratoires qui se sont adonnés à la recherche dans le domaine, l’objectif étant de fédérer les compétences et de favoriser la cohésion entre les structures de la région afin d’accroitre le rayonnement de la recherche au niveau mondial.

Claude Cohen Tannoudji
Claude Cohen-Tannoudji, prix Nobel Français 1997. Dieu l’a fait à son image.

Néanmoins, à Nice, Lille, Bordeaux ou encore Toulouse, des laboratoires axent leurs études de plus en plus sur la problématique des atomes froids permettant de diffuser les connaissances en dehors de la bulle parisienne. C’est encourageant. Par ailleurs, même les entreprises s’y mettent ! Au point que de grandes sociétés comme, par exemple, Thalès et Safran commencent à financer des équipements et des thèses atomes froids. Et oui ! Comme on l’a dit, les atomes ainsi refroidis exhibent un comportement purement ondulatoire tout comme la lumière. On imagine donc très bien que l’on peut transposer tout ce que l’on sait faire avec la lumière mais cette fois avec nos fameux atomes offrant une précision juste incroyable sur des mesures variées. Les gens aimeraient donc révolutionner les systèmes de mesure de précision (accéléromètres, interféromètres, horloges atomiques...), faire des Lasers (à atomes !!), coder et transporter l’information de manière quantique.

Infoquant

Il est évident que les améliorations que vont connaitre dans les décennies à venir, les systèmes GPS, les centrales inertielles des bateaux, avions et sous-marins ainsi que la naissance de l’ordinateur quantique n’auront jamais lieu sans la recherche qu’est en train de se faire en physique des atomes froids. C’est une véritable aventure de toute la communauté scientifique qui doit se faire ensemble. Et l’écho formidable avec d’autres branches de la physique continue sans arrêt à susciter l’intérêt pour ces physiciens des atomes froids d’aller à la rencontre d’autres chercheurs d’autres labo pour ainsi faire naitre de nouvelles idées (Voir l’article Cédric Villani, ce chercheur, vidéo : la naissance des idées) et ainsi repousser toujours un peu plus les limites de ce qu’on sait et remettre en question ce qu’on croyait avoir compris. On est très loin du cliché du chercheur pommé dans son coin. La Science c’est du collectif et l’avancée scientifique est un phénomène collectif. La boucle est bouclée.