Le prix Nobel de physique 2001 a été décerné à la formation en 1995 des premiers condensats de Bose-Einstein (BEC) d’atomes de rubidium (Cornell et Wieman) et de sodium (Ketterle). La clé réside dans les techniques de refroidissement par évaporation cryogénique, qui piègent les atomes dans un puits de potentiel dont la profondeur est progressivement réduite afin que les molécules ayant une plus grande énergie cinétique s’évaporent. Depuis lors, des tentatives ont été faites pour parvenir à un BEC moléculaire ; la première grande étape a été publiée dans Science en 2008, le refroidissement d’un gaz rubure de potassium, KRb, à 350 nK (nanokelvins), grâce à la technique STIRAP (Passage adiabatique Raman simulé par ST). Après de nombreuses tentatives infructueuses, il est désormais publié dans Nature le premier BEC moléculaire du césyride de sodium, NaCs, formé d’environ 250 molécules refroidies à 6 ± 2 nK qui est maintenue pendant 1,8 ± 0,1 seconde (temps pendant lequel les molécules sont perdues jusqu’à ce que leur nombre soit inférieur à environ 100 et que le BEC disparaisse). Un effort technique complet a été nécessaire pour refroidir quelque 30 000 molécules de NaCs d’une température de 700 ± 50 nK à seulement 6 ± 2 nK en 3 secondes environ. Une étape que j’espère que beaucoup d’autres parviendront à reproduire au cours de l’année à venir.
Le secret réside dans un système de protection contre les micro-ondes qui supprime très efficacement les pertes dues aux collisions, qu’il s’agisse de collisions entre deux corps ou de collisions entre trois corps. L’idée est de profiter de la structure dipolaire de la molécule NaCs pour induire une force répulsive entre les molécules qui évite les collisions et réduit les pertes. Deux champs micro-ondes sont utilisés, un avec une polarisation circulaire σ+ et un autre à polarisation linéaire π ; Les deux induisent des dipôles dans les molécules, avec lesquels des forces dipolaires apparaissent entre elles. Voie difficilecelles induites par π sont des forces attractives, tandis que celles induites par σ+ Ils sont répulsifs, réalisant ainsi un bras de fer entre eux qui permet aux molécules de continuer à se refroidir sans pertes majeures jusqu’à ce que la température à laquelle se produit la transition de phase vers l’état BEC soit atteinte. Cette idée n’est pas entièrement nouvelle, mais elle a fonctionné à merveille, grâce à une conception basée sur un modèle théorique inédit ; Les auteurs promettent de le publier prochainement. En effet, l’absence de ce modèle dans l’article de Nature pénalise la réplicabilité à court terme du résultat obtenu ; et je ne le dis pas, mais c’est dit dans le rapport d’examen par les pairs [PDF], où l’on peut lire que deux évaluateurs ont demandé à consulter ledit modèle théorique, mais les auteurs ont refusé sous prétexte que le manuscrit qui le présente est encore en préparation. En tout cas, je n’ai aucun doute sur la réplicabilité du résultat obtenu une fois le modèle théorique publié.
Quant aux applications, il n’y a pas de différence conceptuelle entre un BEC atomique et un BEC moléculaire, elles seront donc les mêmes dans les deux cas. L’aspect le plus pertinent de ces nouveaux travaux est peut-être la technique de refroidissement, avec un contrôle exquis des pertes par collision ; Cette technique cryogénique aura des applications en science fondamentale, par exemple pour tenter d’observer le rayonnement de Hawking et pour rechercher la supersolidité. L’article est Niccolò Bigagli, Weijun Yuan,…, Sebastian Will, « Observation of Bose-Einstein condensation of dipolar molécules », Nature (3 juin 2024), doi : https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492 -z; Informations plus informatives dans Elizabeth Gibney, « Les physiciens amènent des molécules dans un état quantique exotique — mettant fin à une quête de plusieurs décennies », Nature (3 juin 2024), doi : https://doi.org/10.1038/d41586-024-01662-9.
Pour le grand public, ou plutôt pour les journalistes scientifiques, la seule chose intéressante, ce sont les applications pratiques potentielles. Le magazine Physique naturelle a publié un récent numéro spécial consacré aux applications de la cryogénie moléculaire, « Cold and Ultracold Molecules », Insight, Nature Physics (16 mai 2024), https://www.nature.com/collections/afddaaddch. Il est introduit par Leonardo Benini, « Molécules froides et ultra-froides », Nature Physics 20 : 701 (16 mai 2024), doi : 10.1038/s41567-024-02520-1. Contient cinq articles de synthèse sur les applications (notamment en sciences fondamentales) : Tim Langen, Giacomo Valtolina, …, Jun Ye, “Quantum state manipulation and Cooling of ultracold molécules”, Nature Physics 20 : 702-712 (16 mai 2024), est ce que je:10.1038/s41567-024-02423-1 ; Markus Deiß, Stefan Willitsch, Johannes Hecker Denschlag, « Ions moléculaires piégés à froid et plates-formes hybrides pour ions et particules neutres », Nature Physics 20 : 713-721 (16 mai 2024), doi : 10.1038/s41567-024-02440-0 ; Tijs Karman, Michał Tomza, Jesús Pérez-Ríos, « La chimie ultra-froide comme banc d’essai pour la physique à quelques corps », Nature Physics 20 : 722-729 (16 mai 2024), doi : 10.1038/s41567-024-02467-3 ; Simon L. Cornish, Michael R. Tarbutt, Kaden RA Hazzard, « Calcul quantique et simulation quantique avec des molécules ultra froides », Nature Physics 20 : 730-740 (16 mai 2024), doi : 10.1038/s41567-024-02453-9 ; et David DeMille, …, Ana Maria Rey, Tanya Zelevinsky, « Détection quantique et métrologie pour la physique fondamentale avec des molécules », Nature Physics 20 : 741-749 (16 mai 2024), doi : 10.1038/s41567-024-02499- 9.
La grande contribution du nouvel article est la nouvelle technique efficace de refroidissement par évaporation, qui applique un blindage (blindage) par micro-ondes : les deux champs micro-ondes placent les molécules dans un état enrobé (habillé) qui évite leurs collisions et protège l’ensemble des pertes collisionnelles. Comme je l’ai déjà mentionné, la difficulté d’y parvenir revêtement de protection est qu’en induisant des forces interdipolaires qui suppriment les collisions entre deux corps, apparaissent des interactions qui favorisent les collisions entre trois corps, et vice versa. Plus précisément, les micro-ondes à polarisation circulaire σ+ ils induisent un état de superposition quantique des états d’énergie de rotation des moments dipolaires des molécules ; à courte distance, une force répulsive apparaît (caractérisée par une échelle de distances àOui) qui agit comme une barrière empêchant les collisions entre deux corps (plus le champ micro-onde est intense, plus les pertes dues à ce type de collisions sont réduites). Mais pour les grandes distances intermoléculaires (àOui > 2000 à0, le rayon de Bohr), un puits au potentiel attractif est observé ; ledit puits conduit à l’apparition d’états liés associés à la recombinaison entre trois corps ; Les pertes liées aux collisions entre trois corps augmentent donc.
Pour supprimer les pertes à trois corps, des micro-ondes à polarisation linéaire π peuvent être utilisées, qui induisent un état de superposition quantique d’états d’énergie longitudinaux, introduisant une autre force répulsive dipolaire (caractérisée par une échelle de distance àjj) qui peuvent compenser une interaction attractive sur de longues distances àOui; Cela évite les interactions à trois corps, mais affecte négativement la force répulsive à courte distance. àOui. En théorie, un ajustement fin des deux forces, combinant de manière appropriée les effets de σ+ et de π, pourrait éliminer les deux types de pertes si l’on parvenait à obtenir que àjj / àOui ≲ 1. Malheureusement, jusqu’à présent, toutes les tentatives ont échoué car une telle relation est quasiment impossible à obtenir avec les valeurs expérimentales habituelles de àjj entre 10 000 à0 et 25 000 à0et ceux de àOui de l’ordre de 2000 à0. Cependant, la nouvelle analyse théorique de l’origine de ces forces dipolaires pour les molécules NaCs a permis d’ajuster les paramètres d’irradiation micro-ondes pour atteindre des valeurs de àjj ≈ 1300 à0 et de àOui ≈ 1500 à0qui permettent au rêve àjj / àOui ≲ 1. Malheureusement, le calcul derrière ce réglage fin n’a pas encore été publié, nous ne savons donc pas s’il peut également être réalisé avec d’autres molécules polaires.
Comme d’habitude, la transition de phase du gaz des molécules vers un BEC moléculaire a été illustrée à l’aide d’images d’absorption. Sur la figure qui ouvre cette pièce (regardez-la) vous pouvez voir un nuage thermique à gauche à 41 ± 5 nK, un état partiellement condensé au centre à 9 ± 4 nK et un état condensé presque pur à 6 ± 2. nK (l’échelle de la barre blanche est de 20 μm). Pour obtenir ces images, le piège qui piège le nuage de molécules est retiré et la distribution des vitesses des molécules est observée après environ 17 millisecondes (en fait, les images montrent la moyenne de 20 images individuelles). A l’état thermique, les molécules sont dans différents états énergétiques avec des vitesses réparties sur une large plage ; Pour cette raison, le nuage thermique présente une distribution arrondie dans l’image, indépendante de la forme allongée du potentiel quadripolaire qui piège les molécules. Dans l’état BEC, on observe une distribution bimodale, d’une part un fond de molécules à l’état thermique de forme arrondie (bleu clair et vert) et en son centre un état BEC de forme allongée (la même que le piège ) avec une grande visière (couleurs orange et rouge).
Dans le BEC, toutes les molécules sont dans leur état énergétique fondamental dans lequel toutes les molécules sont impossibles à distinguer les unes des autres et sont décrites par une fonction d’onde quantique commune. Par conséquent, sa distribution de vitesse est très concentrée, bien que soumise au principe d’indétermination de Heisenberg, ΔX ΔvX ≥ ħ/2 et Δet Δvet ≥ħ/2. La forme asymétrique du potentiel quadripolaire, ΔX et implique que ΔvX vetqui produit une expansion anisotrope du BEC, qui s’allonge dans la direction et (comme illustré sur la figure de gauche). Cette image d’absorption allongée est la marque de la présence du BEC. Malheureusement, la demi-vie du BEC est très courte, comme l’illustre la figure de droite ; un état BEC avec environ 250 molécules réduit son nombre pendant 1,8 secondes à environ 100 molécules, moment auquel la symétrie circulaire est rétablie dans l’image d’absorption et l’état est considéré comme ayant cessé d’être du type BEC. Sans aucun doute, dans les années à venir, les BEC moléculaires seront réalisés avec un plus grand nombre de molécules, ce qui permettra à la demi-vie du BEC d’être beaucoup plus longue (ce qui est essentiel pour son utilisation dans les applications scientifiques fondamentales).
