Condensat de Bose-Einstein: origine, propriétés et applications
Le condensat de Bose-Einstein est un état de la matière qui se produit dans certaines particules à des températures proches du zéro absolu. Pendant longtemps, on a pensé que les trois seuls états d’agrégation possibles de la matière étaient solides, liquides et gazeux.
Puis le quatrième état a été découvert: le plasma; et le condensat de Bose-Einstein est considéré comme le cinquième état. La propriété caractéristique est que les particules de condensat se comportent plutôt comme un grand système quantique (comme un ensemble de systèmes quantiques individuels ou comme un groupe d'atomes).
En d'autres termes, on peut dire que l'ensemble des atomes constituant le condensat de Bose-Einstein se comporte comme s'il s'agissait d'un seul atome.
Origine
Comme beaucoup de découvertes scientifiques plus récentes, l’existence du condensat a été théoriquement déduite avant qu’il n’y ait une preuve empirique de son existence.
C'est donc Albert Einstein et Satyendra Nath Bose qui ont théoriquement prédit ce phénomène dans une publication conjointe dans les années 1920. Ils l'ont fait d'abord pour le cas des photons, puis pour le cas des hypothétiques atomes gazeux.
La démonstration de son existence réelle n’avait été possible que quelques décennies auparavant, alors qu’il était possible de refroidir un échantillon à des températures suffisamment basses pour prouver que les équations anticipées étaient vraies.
Obtention
Le condensat de Bose-Einstein a été obtenu en 1995 par Eric Cornell, Carlo Wieman et Wolfgang Ketterle qui, grâce à cela, se partageraient le prix Nobel de physique 2001.
Pour réaliser le condensat de Bose-Einstein, ils ont utilisé une série de techniques expérimentales en physique atomique, avec lesquelles ils ont réussi à atteindre une température de 0, 00000002 degrés Kelvin au-dessus du zéro absolu (température très inférieure à la plus basse température observée dans l'espace). .
Eric Cornell et Carlo Weiman ont utilisé ces techniques dans un gaz dilué composé d'atomes de rubidium; Pour sa part, Wolfgang Ketterle les a appliqués peu de temps après sur des atomes de sodium.
Les bosons
Le nom de boson est utilisé en l'honneur du physicien d'origine indienne Satyendra Nath Bose. Dans la physique des particules, deux types de base de particules élémentaires sont considérés: les bosons et les ferminions.
Ce qui détermine si une particule est un boson ou un fermion, c'est si son spin est un entier ou un demi-entier. En fin de compte, les bosons sont les particules responsables de la transmission des forces d'interaction entre les fermions.
Seules les particules bosoniques peuvent avoir cet état de condensat de Bose-Einstein: si les particules refroidies sont des fermions, ce que l'on obtient s'appelle un liquide de Fermi.
En effet, contrairement aux fermions, les bosons ne sont pas tenus de respecter le principe d'exclusion de Pauli, selon lequel deux particules identiques ne peuvent pas se trouver dans le même état quantique en même temps.
Tous les atomes sont le même atome
Dans un condensat de Bose-Einstein, tous les atomes sont absolument égaux. De cette façon, la plupart des atomes condensés sont au même niveau quantique, descendant au niveau d'énergie le plus bas possible.
En partageant ce même état quantique et en ayant la même énergie (minimale), les atomes sont indiscernables et se comportent comme un "super-atome" unique.
Propriétés
Le fait que tous les atomes aient des propriétés identiques suppose une série de propriétés théoriques déterminées: les atomes occupent un même volume, diffusent une lumière de même couleur et un milieu homogène est constitué, entre autres caractéristiques.
Ces propriétés sont similaires à celles du laser idéal, qui émet une lumière cohérente (spatialement et temporellement), uniforme, monochromatique, dans laquelle toutes les ondes et les photons sont absolument égaux et se déplacent dans la même direction, donc idéalement pas se dissiper
Les applications
Les possibilités offertes par ce nouvel état de la matière sont nombreuses, certaines vraiment étonnantes. Parmi les applications actuelles ou en développement, les plus intéressantes des condensats de Bose-Einstein sont les suivantes:
- Son utilisation avec les lasers à atomes pour créer des nanostructures de haute précision.
- Détection de l'intensité du champ gravitationnel.
- La fabrication d’horloges atomiques est plus précise et stable que celles qui existent actuellement.
- Simulations, à petite échelle, pour l'étude de certains phénomènes cosmologiques.
- Applications de la superfluidité et de la supraconductivité.
- applications dérivées du phénomène dit de lumière lente ou de lumière lente; par exemple, dans la téléportation ou dans le domaine prometteur de l'informatique quantique.
- Approfondir les connaissances en mécanique quantique en réalisant des expériences plus complexes et non linéaires, ainsi qu'en vérifiant certaines théories récemment formulées. Les condensats offrent la possibilité de recréer dans les laboratoires des phénomènes qui se produisent à des années-lumière.
Comme on peut le constater, les condensats de Bose-Einstein peuvent être utilisés non seulement pour développer de nouvelles techniques, mais également pour affiner certaines techniques existantes.
Ce n'est pas en vain qu'ils offrent une grande précision et fiabilité, ce qui est possible grâce à leur cohérence de phase dans le domaine atomique, ce qui facilite une grande maîtrise du temps et des distances.
Les condensats de Bose-Einstein pourraient donc devenir aussi révolutionnaires que le laser lui-même, car ils ont de nombreuses propriétés en commun. Cependant, le gros problème pour que cela se produise réside dans la température à laquelle ces condensats sont produits.
Ainsi, la difficulté réside à la fois dans la difficulté de les obtenir et dans leur entretien coûteux. Pour toutes ces raisons, la plupart des efforts portent actuellement principalement sur leur application à la recherche fondamentale.
Bose-Einstein condensée et physique quantique
La démonstration de l’existence de condensats de Bose-Einstein a offert un nouvel outil important pour l’étude de nouveaux phénomènes physiques dans des domaines très divers.
Il ne fait aucun doute que sa cohérence au niveau macroscopique facilite à la fois l’étude, la compréhension et la démonstration des lois de la physique quantique.
Cependant, le fait que des températures proches du zéro absolu soient nécessaires pour atteindre cet état de la matière constitue un grave inconvénient pour tirer le meilleur parti de ses propriétés incroyables.
