Des chercheurs du groupe de Hanns-Christoph Nägerl ont produit les premières molécules KC ultra-froides au monde dans leur état fondamental absolu. En commençant par mélanger des nuages d’atomes de potassium et de césium refroidis presque jusqu’à la température zéro absolue, ils ont pu utiliser une combinaison de champs magnétiques et de faisceaux laser pour associer des paires d’atomes en mouvement libre en molécules chimiquement stables.
L'ouvrage est publié dans la revue Lettres d'examen physique.
Les molécules ne peuvent être produites que par des réactions chimiques, qui se produisent toujours à des moments imprévisibles et aléatoires. Des températures plus élevées accélèrent les réactions et des températures suffisamment basses peuvent empêcher complètement les réactions. Ces déclarations ne s'appliquent pas si la chimie est menée par des physiciens.
Au cours des 20 dernières années, plusieurs types différents de molécules ont été produits dans des mélanges gazeux à des températures proches du zéro absolu, en utilisant des méthodes qui réduisent le temps exact de formation des molécules à quelques microsecondes.
Jusqu’à récemment, les KC restaient un trou béant dans le tableau des combinaisons possibles d’éléments déjà transformés de cette manière en molécules.
Le mixage est difficile
Afin d’assembler des molécules de manière suffisamment contrôlée, il faut partir d’un mélange de gaz atomiques ultrafroids. Même si la préparation de tels gaz avec un seul élément est devenue une technique expérimentale standard dans le monde, refroidir deux éléments en même temps est une autre histoire.
« Le potassium et le césium ont été les derniers éléments alcalins à être refroidis seuls jusqu'à la condensation de Bose-Einstein, » déclare Charly Beulenkamp, l'un des principaux auteurs de cette étude, « ce qui indique à quel point ils sont difficiles à contrôler. Les refroidir en même temps est un défi à un tout autre niveau. »
Heureusement, grâce à la persévérance de l'équipe d'Innsbruck, ce défi a finalement été surmonté.
Un acte de foi quantique
La première étape de l'assemblage de molécules ultra-froides est ce qu'on appelle la magnéto-association, dans laquelle des atomes proches de différents éléments sont transformés en paires liées en balayant le champ magnétique externe à travers un point de résonance. De telles paires ne sont que très faiblement liées et pourraient facilement être brisées : on pourrait dire que les atomes sont maintenant fiancés, mais pas encore mariés.
Pour rendre ces molécules chimiquement stables, elles doivent être transférées dans ce que l’on appelle leur état fondamental absolu : l’état ayant l’énergie la plus basse parmi tous les états possibles d’une molécule donnée.
Les transferts entre différents états internes d’atomes ou de molécules peuvent généralement être effectués à l’aide d’une lumière laser réglée sur une fréquence appropriée, mais dans ce cas, une transition directe est interdite, nécessitant l’utilisation d’un troisième état intermédiaire comme point de pivotement.
« Les paires magnéto-associées et les molécules à l'état fondamental sont des êtres très différents, » explique Krzysztof Zamarski, l'autre auteur principal de cet ouvrage, « et transformer l’un en l’autre, c’est comme sauter à la perche dans un canyon. Pour ce faire, il faut trouver un point d'appui pour le poteau, qui doit être un petit rocher à peine visible dans l'obscurité. Trouver un tel point est le principal problème à résoudre sur la voie de la production de molécules ultra-froides. »
Système de jouets pour l'étude des matériaux
La synthèse moléculaire quantique ne peut produire que quelques milliers de molécules à la fois. Il est donc peu probable qu’elle remplace la chimie conventionnelle dans un avenir proche. Cependant, il a de nombreuses autres applications intéressantes. L’une des plus grandes questions de la physique moderne est de savoir pourquoi certains matériaux présentent certaines propriétés exotiques, telles que la supraconductivité.
Ces phénomènes sont difficiles à décrire théoriquement, en raison du grand nombre de particules impliquées, mais il est également difficile de les étudier expérimentalement, en raison des petites échelles de longueur sur lesquelles ils se produisent, ainsi que des imperfections dont souffrent les matériaux réels. C’est ici qu’interviennent les gaz ultrafroids, en particulier les gaz de molécules.
Grâce à leur grand moment dipolaire électrique, les molécules composées de deux éléments différents interagissent les unes avec les autres sur de longues distances, imitant les électrons des systèmes à l'état solide. Dans le même temps, leur basse température permet de les piéger avec la lumière laser et de les manipuler davantage à l'aide de diverses techniques.
« Piéger des molécules dans une géométrie qui ressemble à de vrais cristaux nous donne l'occasion d'observer directement la dynamique quantique qui régit les matériaux exotiques, » déclare Hanns-Christoph Nägerl du Département de physique expérimentale de l'Université d'Innsbruck, « c’est l’idée derrière les simulations quantiques expérimentales. »
