Des molécules refroidies Proches du Zéro absolu Viennent de battre un Nouveau record de physique

Un processus de refroidissement en deux étapes utilisant des lasers a permis aux physiciens de pousser des molécules de monofluorure de calcium jusqu’à une température record, brisant une barrière infranchissable jusqu’à présent.

Il y a des décennies, le refroidissement d’atomes individuels à un niveau proche du zéro absolu a ouvert un nouveau monde de recherche pour les physiciens des particules. Cette dernière percée pourrait également fournir un terrain fertile pour en apprendre davantage sur le comportement des atomes lorsqu’ils sont liés en tant que molécules.

Le processus derrière le refroidissement record effectué par des chercheurs du Centre for Cold Matter de l’Imperial College de Londres n’est pas si différent de ceux utilisés pour refroidir les atomes.

Une particule en mouvement est une particule chaude, ce qui signifie que pour refroidir un atome ou une molécule, il suffit de ralentir son bourdonnement.

Une façon de le faire est de tirer parti de la façon dont les atomes absorbent et émettent des quanta de lumière, ce qui pourrait perdre de l’élan dans le processus.

Un laser accordé à une fréquence particulière vise des atomes piégés dans un espace confiné par un champ magnétique.

Si l’atome s’éloigne de la lumière, la fréquence qu’il subit est légèrement décalée Doppler vers l’extrémité rouge du spectre. Si la particule se déplace dans le faisceau, la fréquence qui la frappe se déplace vers l’extrémité bleue.

Obtenir cette fréquence signifie que les atomes se déplaçant dans le laser à une vitesse donnée peuvent absorber un photon de lumière. Cela fait monter l’un de ses électrons à un nouveau niveau d’énergie, qui émet ensuite un photon dans une direction aléatoire lorsqu’il descend.

Répartie sur les particules, cette émission de photons signifie une diminution globale de l’élan des atomes, les ralentissant progressivement.

Ce processus appelé refroidissement Doppler ne peut que refroidir les particules, car l’énergie perdue par l’émission de photons est équilibrée par l’énergie reçue par les atomes dans le piège.

Les atomes individuels peuvent être refroidis au-delà de cette limite dite Doppler avec diverses autres techniques, permettant aux physiciens d’atteindre des températures époustouflantes de seulement 50 billions de kelvin, soit 0,00000000005 degrés au-dessus du zéro absolu.

Mais jusqu’à présent, les physiciens n’ont réussi à forcer les atomes à fabriquer des molécules qu’à froid, ou à refroidir les molécules existantes de fluorure de strontium à des températures supérieures à la limite Doppler.

Liés ensemble dans des systèmes plus complexes, les atomes ne répondent tout simplement pas de manière aussi fiable aux mêmes astuces de refroidissement.

Pour repousser les limites, les chercheurs ont mis en place un tas de molécules de monofluorure de calcium grâce à une combinaison de champs magnétiques et de lasers appelée piège magnéto-optique.

C’était suffisant pour les amener à la limite Doppler. Pour les faire passer au-dessus de la ligne, les chercheurs ont utilisé une deuxième technique appelée refroidissement de Sisyphe.

Si vous vous souvenez de vos mythes grecs, le roi Sisyphe était l’âme condamnée qui était forcée de pousser éternellement un rocher sur une montagne pour qu’il roule de l’autre côté, tout cela parce qu’il était le genre de souverain qui aimait assassiner ses invités.

Cette routine d’entraînement infinie est juste le genre de chose pour saper les particules de leur énergie.

Au lieu d’une montagne, les physiciens utilisent une paire de lasers opposés polarisés de manière à forcer une particule à monter une colline d’énergie, perdant de l’élan dans le processus.

Cela a permis aux chercheurs de faire glisser le monofluorure de calcium jusqu’à des températures de 50 microkelvines, soit 50 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

C’est encore loin de la façon dont nous pouvons fabriquer des atomes individuels à froid, mais c’est mieux que le précédent record de 400 microkelvin réalisé avec des molécules de fluorure de strontium.

Le mur de température théorique du zéro absolu est comme un paradoxe de Zénon de la physique des particules – nous ne pouvons jamais couper une fraction de l’énergie d’une particule en mouvement, ce qui rend une impossibilité mathématique qu’une particule ne puisse jamais avoir de chaleur.

Mais s’étirer vers ce but infini nous a permis d’étudier les particules avec un détail sans précédent, en affichant de nouveaux comportements étranges et en nous permettant d’étudier comment les forces qui les maintiennent ensemble apparaissent en premier lieu.

Nul doute que cette nouvelle limite aidera à élargir nos connaissances sur le fonctionnement de la chimie à un niveau fondamental.

Cette recherche a été publiée dans Nature Physics.