Direction des Missions Scientifiques de la NASA

Jan. 30, 2014: Tout le monde sait que l’espace est froid. Dans le vaste fossé entre les étoiles et les galaxies, la température de la matière gazeuse descend régulièrement à 3 degrés K, soit 454 degrés en dessous de zéro Fahrenheit.

Il va faire encore plus froid.

Les chercheurs de la NASA envisagent de créer le point le plus froid de l’univers connu à l’intérieur de la Station spatiale internationale.

“Nous allons étudier la matière à des températures beaucoup plus froides que celles que l’on trouve naturellement”, explique Rob Thompson du JPL. Il est le scientifique du projet du Cold Atom Lab de la NASA, un “réfrigérateur” atomique dont le lancement vers l’ISS est prévu en 2016. ” Nous visons à faire descendre les températures effectives à 100 pico-kelvins.”

100 le pico-Kelvin n’est qu’un dix milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, où toute l’activité thermique des atomes s’arrête théoriquement. À de si basses températures, les concepts ordinaires de solide, de liquide et de gaz ne sont plus pertinents. Les atomes interagissant juste au-dessus du seuil d’énergie nulle créent de nouvelles formes de matière qui sont essentiellement… quantique.

La mécanique quantique est une branche de la physique qui décrit les règles bizarres de la lumière et de la matière à l’échelle atomique. Dans ce domaine, la matière peut être à deux endroits à la fois; les objets se comportent à la fois comme des particules et des ondes; et rien n’est certain: le monde quantique fonctionne sur la probabilité.

C’est dans ce royaume étrange que les chercheurs utilisant le Cold Atom Lab plongeront.

” Nous commencerons, dit Thompson, par étudier les condensats de Bose-Einstein.”

En 1995, des chercheurs ont découvert que si vous preniez quelques millions d’atomes de rubidium et que vous les refroidissiez près du zéro absolu, ils fusionneraient en une seule vague de matière. L’astuce a également fonctionné avec du sodium. En 2001, Eric Cornell du National Institute of Standards & Technology et Carl Wieman de l’Université du Colorado ont partagé le prix Nobel avec Wolfgang Ketterle du MIT pour leur découverte indépendante de ces condensats, qu’Albert Einstein et Satyendra Bose avaient prédit au début du 20e siècle.

Si vous créez deux BECs et les assemblez, ils ne se mélangent pas comme un gaz ordinaire. Au lieu de cela, ils peuvent “interférer” comme des ondes: de fines couches parallèles de matière sont séparées par de fines couches d’espace vide. Un atome dans un BEC peut s’ajouter à un atome dans un autre BEC et produire – aucun atome du tout.

” Le laboratoire d’atomes froids nous permettra d’étudier ces objets à des températures peut-être les plus basses jamais atteintes “, explique Thompson.

Le laboratoire est également un endroit où les chercheurs peuvent mélanger des gaz atomiques super cool et voir ce qui se passe. “Les mélanges de différents types d’atomes peuvent flotter ensemble presque complètement sans perturbations”, explique Thompson, “ce qui nous permet de faire des mesures sensibles des interactions très faibles. Cela pourrait conduire à la découverte de phénomènes quantiques intéressants et nouveaux.”

La station spatiale est le meilleur endroit pour faire cette recherche. La microgravité permet aux chercheurs de refroidir les matériaux à des températures beaucoup plus froides que ce qui est possible au sol.

Thompson explique pourquoi:

“C’est un principe de base de la thermodynamique que lorsqu’un gaz se dilate, il se refroidit. La plupart d’entre nous ont une expérience pratique avec cela. Si vous vaporisez une boîte d’aérosols, la boîte devient froide.”

Les gaz quantiques sont refroidis à peu près de la même manière. À la place d’un aérosol, cependant, nous avons un piège magnétique.’

“Sur l’ISS, ces pièges peuvent être rendus très faibles car ils n’ont pas à soutenir les atomes contre l’attraction de la gravité. Des pièges faibles permettent aux gaz de se dilater et de se refroidir à des températures plus basses que ce qui est possible au sol.”

Personne ne sait où mènera cette recherche fondamentale. Même les applications “pratiques” énumérées par Thompson — capteurs quantiques, interféromètres à ondes de matière et lasers atomiques, pour n’en nommer que quelques—unes – sonnent comme de la science-fiction. ” Nous entrons dans l’inconnu “, dit-il.

Des chercheurs comme Thompson considèrent le Cold Atom Lab comme une porte d’entrée dans le monde quantique. La porte pourrait-elle basculer dans les deux sens? Si la température descend assez bas, “nous pourrons assembler des paquets d’ondes atomiques aussi larges qu’un cheveu humain enough c’est-à-dire assez grands pour que l’œil humain puisse voir.”Une créature de la physique quantique sera entrée dans le monde macroscopique.

Et puis la véritable excitation commence.

Pour plus d’informations sur le laboratoire d’atomes froids, visitez le site coldatomlab.jpl.nasa.gov

Auteur: Dr. Tony Phillips | Éditeur de production: Dr. Tony Phillips / Crédit : Science @NASA