Explorer l'inconnu : un état quantique unique de la matière émerge à Columbia

Physiciens à Université de Colombie ont amené les molécules à une nouvelle limite ultra-froide et créé 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 de quelques fractions de degré au-dessus. 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.

Percée dans les condensats de Bose-Einstein

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.

Molécules ultra-froides, un siècle en devenir

La science des BEC remonte à un siècle, grâce aux physiciens Satyendra Nath Bose et Albert Einstein. Dans une série d'articles publiés en 1924 et 1925, ils prédisaient qu'un groupe de particules refroidies jusqu'à l'arrêt proche fusionnerait en une seule superentité plus grande avec des propriétés et des comportements partagés dictés par les lois de la mécanique quantique. Si des BEC pouvaient être créés, ils offriraient aux chercheurs une plate-forme attrayante pour explorer la mécanique quantique à une échelle plus maniable que celle des atomes ou des molécules individuels.

Il a fallu environ 70 ans depuis ces premières prédictions théoriques, mais les premiers BEC atomiques ont été créés en 1995. Cet exploit a été reconnu par le prix Nobel de physique en 2001, juste au moment où Will faisait ses débuts en physique à l'Université de Mayence. en Allemagne. Les laboratoires fabriquent désormais régulièrement des BEC atomiques à partir de plusieurs types d’atomes différents. Ces BEC ont élargi notre compréhension de concepts tels que la nature ondulatoire de la matière et des superfluides et ont conduit au développement de technologies telles que les microscopes quantiques à gaz et les simulateurs quantiques, pour n'en nommer que quelques-uns.

Mais les atomes sont, dans l’ensemble, relativement simples. Ce sont des objets ronds et ne présentent généralement pas d’interactions pouvant résulter de la polarité. Depuis la réalisation des premiers BEC atomiques, les scientifiques ont voulu créer des versions plus complexes à base de molécules. Mais même de simples molécules diatomiques constituées de deux atomes d’éléments différents liés ensemble s’étaient avérées difficiles à refroidir en dessous de la température nécessaire pour former un BEC approprié.

La première percée a eu lieu en 2008 lorsque Deborah Jin et Jun Ye, physiciens du JILA à Boulder, Colorado, ont refroidi un gaz composé de molécules de potassium et de rubidium jusqu'à environ 350 nanoKelvin. Ces molécules ultra-froides se sont révélées utiles ces dernières années pour effectuer des simulations quantiques et étudier les collisions moléculaires et la chimie quantique, mais pour franchir le seuil du BEC, des températures encore plus basses étaient nécessaires.

En 2023, le laboratoire Will a créé le premier gaz ultra-froid de sa molécule de choix, le sodium-césium, en utilisant une combinaison de refroidissement laser et de manipulations magnétiques, similaire à l'approche de Jin et Ye. Pour faire plus froid, ils ont installé des micro-ondes.

Innovations avec les 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 du 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, qui a obtenu son doctorat en physique ce printemps et était 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. « Les 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 systèmes 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 » contre les micro-ondes se concrétiser en laboratoire. »

Il existe des dizaines de prédictions théoriques qui peuvent désormais être testées expérimentalement avec les BEC moléculaires, qui, selon Siwei Zhang, co-premier auteur et doctorant, 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 Weijun Yuan, co-premier auteur et doctorant. « Nous aimerions utiliser les BEC dans un système 2D. Lorsque l’on passe de trois dimensions à deux dimensions, on peut toujours s’attendre à ce qu’une nouvelle physique émerge », 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.