Élargir les horizons : le Cold Atom Lab de la NASA est un pionnier de la chimie quantique dans l’espace

L’installation télécommandée à bord du Station spatiale internationale a créé un autre outil que les chercheurs peuvent utiliser pour sonder la nature fondamentale du monde qui nous entoure.

Pour la première fois dans l’espace, des scientifiques ont produit un gaz quantique contenant deux types d’atomes. Réalisé avec NASAdu laboratoire Cold Atom à bord de la Station spatiale internationale, cette réalisation marque une nouvelle étape vers l’introduction dans l’espace des technologies quantiques actuellement disponibles uniquement sur Terre.

Les outils quantiques sont déjà utilisés dans tous les domaines, des téléphones portables aux GPS aux dispositifs médicaux. À l’avenir, ils pourraient être utilisés pour améliorer l’étude des planètes, y compris la nôtre, et aider à résoudre les mystères de l’univers tout en approfondissant notre compréhension des lois fondamentales de la nature.

Le nouveau travail, réalisé à distance par des scientifiques sur Terre, est décrit dans le numéro du 16 novembre de la revue Nature.

Grâce à cette nouvelle capacité, le Cold Atom Lab peut désormais étudier non seulement les propriétés quantiques des atomes individuels, mais également la chimie quantique, qui se concentre sur la façon dont différents types d’atomes interagissent et se combinent les uns avec les autres dans un état quantique. Les chercheurs pourront mener un plus large éventail d’expériences avec Cold Atom Lab et en apprendre davantage sur les nuances de leur réalisation en microgravité. Ces connaissances seront essentielles pour exploiter cette installation unique en son genre afin de développer de nouvelles technologies quantiques spatiales.

Faire progresser la chimie quantique

Le monde physique qui nous entoure dépend du fait que les atomes et les molécules restent liés ensemble selon un ensemble de règles établies. Mais différentes règles peuvent dominer ou s’affaiblir selon l’environnement dans lequel se trouvent les atomes et les molécules – comme la microgravité. Les scientifiques utilisant le Cold Atom Lab explorent des scénarios dans lesquels la nature quantique des atomes domine leur comportement. Par exemple, au lieu d’agir comme des boules de billard solides, les atomes et les molécules se comportent davantage comme des ondes.

Dans l’un de ces scénarios, les atomes en deux ou troisatome les molécules peuvent rester liées ensemble mais s’éloigner de plus en plus, presque comme si les molécules devenaient pelucheuses. Pour étudier ces états, les scientifiques doivent d’abord ralentir les atomes. Pour ce faire, ils les refroidissent à des fractions de degré au-dessus de la température la plus basse que la matière puisse atteindre (voir la vidéo ci-dessous), bien plus froide que tout ce que l’on trouve dans l’univers naturel : zéro absoluou moins 459 degrés Fahrenheit (moins 273 degrés Celsius).

Le Cold Atom Lab de la NASA à bord de la Station spatiale internationale refroidit les atomes jusqu’à un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, soit la température à laquelle les atomes devraient cesser complètement de bouger. Nulle part dans l’univers il n’existe d’atomes qui atteignent naturellement cette température. Mais comment les scientifiques accomplissent-ils cet exploit ? Il s’agit d’un processus en trois étapes qui commence lorsque les scientifiques frappent les atomes avec des lasers réglés avec précision pour les ralentir.

Les physiciens ont créé ces molécules pelucheuses lors d’expériences sur des atomes froids au sol, mais elles sont extrêmement fragiles et se brisent rapidement ou s’effondrent pour revenir à un état moléculaire normal. Pour cette raison, les molécules agrandies comportant trois atomes n’ont jamais été directement visualisées. Dans la microgravité de la station spatiale, les molécules fragiles peuvent exister plus longtemps et potentiellement grossir. Les physiciens sont donc ravis de commencer à expérimenter la nouvelle capacité du Cold Atom Lab.

Une nouvelle frontière en physique

Ces types de molécules n’existent probablement pas dans la nature, mais il est possible qu’elles soient utilisées pour fabriquer des détecteurs sensibles qui peuvent révéler des changements subtils dans la force d’un champ magnétique, par exemple, ou toute autre perturbation qui provoque leur rupture. se séparer ou s’effondrer.

« Ce que nous faisons avec la science des atomes froids, en général, c’est rechercher et apprendre de nouveaux outils que la nature nous offre », a déclaré Jason Williams du Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud, scientifique du projet Cold Atom Lab et co-auteur. -auteur de la nouvelle étude. « C’est comme si nous avions découvert un marteau et que nous commencions tout juste à étudier toutes les façons dont nous pourrions l’utiliser. »

Le Cold Atom Lab de la NASA permet aux scientifiques d’étudier la nature quantique des atomes en toute liberté en microgravité. Découvrez comment la science quantique a conduit au développement de technologies quotidiennes telles que les téléphones portables et les ordinateurs, et comment Cold Atom Lab ouvre la voie à de nouvelles avancées. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Un mystère moderne

Une façon possible d’utiliser un gaz quantique avec deux types d’atomes serait de tester ce qu’on appelle le principe d’équivalence, selon lequel la gravité affecte tous les objets de la même manière, quelle que soit leur masse. C’est un principe que de nombreux professeurs de physique démontreront en plaçant une plume et un marteau dans une chambre à vide scellée et en montrant qu’en l’absence de friction de l’air, les deux tombent au même rythme. En 1971, l’astronaute d’Apollo 15 David Scott a réalisé cette expérience sur la surface de la Lune sans avoir recours à une chambre à vide.

À l’aide d’un instrument appelé interféromètre atomique, les scientifiques ont déjà mené des expériences sur Terre pour voir si le principe d’équivalence est vrai à l’échelle atomique. En utilisant un gaz quantique avec deux types d’atomes et un interféromètre dans la microgravité de la station spatiale, ils pourraient tester le principe avec plus de précision que ce qui est possible sur Terre. Ce faisant, ils pourraient découvrir s’il existe un point où la gravité ne traite pas toute la matière de la même manière, ce qui indiquerait que la théorie de la relativité générale d’Albert Einstein contient une petite erreur qui pourrait avoir de grandes implications.

Le principe d’équivalence fait partie de la théorie générale de la relativité, l’épine dorsale de la physique gravitationnelle moderne, qui décrit le comportement des objets de grande taille, comme les planètes et les galaxies. Mais un mystère majeur de la physique moderne réside dans la raison pour laquelle les lois de la gravité ne semblent pas correspondre aux lois de la physique quantique, qui décrivent le comportement des petits objets, comme les atomes. Les lois des deux domaines se sont révélées correctes à maintes reprises dans leurs domaines de taille respectifs, mais les physiciens ont été incapables de les unir en une seule description de l’univers dans son ensemble.

Rechercher des caractéristiques de la gravité non expliquées par la théorie d’Einstein est une façon de rechercher un moyen d’unification.

Développement de capteurs avancés

Les scientifiques ont déjà des idées pour aller au-delà des tests de physique fondamentale en microgravité au sein du Cold Atom Lab. Ils ont également proposé des expériences spatiales qui pourraient utiliser un interféromètre à deux atomes et des gaz quantiques pour mesurer la gravité avec une grande précision afin d’en apprendre davantage sur la nature de l’énergie noire, le mystérieux moteur derrière l’expansion accélérée de l’univers. Ce qu’ils apprendront pourrait conduire au développement de capteurs de précision pour un large éventail d’applications.

La qualité de ces capteurs dépendra de la manière dont les scientifiques comprendront le comportement de ces atomes en microgravité, notamment la manière dont ces atomes interagissent les uns avec les autres. L’introduction d’outils pour contrôler les atomes, comme les champs magnétiques, peut les faire se repousser comme l’huile et l’eau ou se coller les uns aux autres comme le miel. Comprendre ces interactions est un objectif clé du Cold Atom Lab.

À propos de la mission Cold Atom Lab

Division du California Institute of Technology (Caltech) à Pasadena, le JPL a conçu et construit Cold Atom Lab, parrainé par la division des sciences biologiques et physiques (BPS) de la direction des missions scientifiques de la NASA au siège de l’agence à Washington. BPS est un pionnier de la découverte scientifique et permet l’exploration en utilisant des environnements spatiaux pour mener des enquêtes impossibles sur Terre. L’étude des phénomènes biologiques et physiques dans des conditions extrêmes permet aux chercheurs de faire progresser les connaissances scientifiques fondamentales nécessaires pour aller plus loin et rester plus longtemps dans l’espace, tout en bénéficiant également à la vie sur Terre.