Condensat de Bose-Einstein - Définition

Introduction

Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse, caractérisé par une fraction macroscopique d'atomes dans l'état quantique de plus basse énergie. Ce phénomène a été prédit en 1925 par Albert Einstein qui a généralisé les travaux de Satyendra Nath Bose sur les statistiques quantiques des photons au cas des atomes. En 1938, Pyotr Kapitsa, John Allen et Don Misener découvrirent le caractère superfluide de l'hélium 4, pour des températures inférieures à 2,17 K. Cette propriété a rapidement été reliée à la condensation de Bose-Einstein d'une partie des atomes d'hélium 4, qui sont des bosons. Le premier condensat gazeux a été produit en 1995 par Eric Cornell et Carl Wieman, ouvrant la voie à l'étude des gaz atomiques dilués ultrafroids dans le régime quantique et leur offrant le prix nobel de physique en 2001.

Prédictions de Bose et Einstein

La statistique quantique impliquée dans le phénomène de condensation de Bose-Einstein concerne les particules appartenant à la famille des bosons, qui sont les particules de spin entier, en opposition à la famille des fermions qui sont de spin demi-entier.

Satyendra Nath Bose proposa une statistique pour les photons différente de la statistique classique de Boltzmann, en se basant sur la possibilité pour plusieurs photons d'être dans le même état et sur l'indiscernabilité absolue de deux photons de même état quantique.

Albert Einstein généralisa cette statistique à toutes les particules bosoniques, qu'elles soient non massives, comme le photon, ou massives, comme les atomes d'hélium 4.

L'étude par ce dernier du gaz parfait monoatomique bosonique a montré l'existence d'une transition de phase entre le gaz classique et un état de la matière où les atomes s'accumulent dans l'état quantique de plus basse énergie, lorsqu'on diminue la température. Cette phase est aujourd'hui appelée un condensat de Bose-Einstein. Le manuscrit d'Albert Einstein, titré Quantum theory of the monatomic ideal gas, daté de décembre 1924 a été découvert dans les archives de l'institut Lorenz de l'Université de Leyde. Illustrations

Gaz atomiques dilués ultrafroids

Graphique 3D montrant 3 états successifs : les atomes sont de plus en plus denses (de la gauche vers la droite)

La physique de l'hélium 4 à très basse température est très complexe du fait des fortes interactions entre atomes. Afin de pouvoir étudier et exploiter plus simplement le phénomène de condensation de Bose-Einstein, on a cherché à l'observer pour des systèmes très dilués, plus proches du gaz parfait qui avait été le modèle initialement présenté par Einstein.

Première obtention d'un condensat

L'observation expérimentale des condensats a été possible grâce au développement des techniques de refroidissement d'atomes par laser. Les très basses températures atteintes ont permis d'atteindre le régime de condensation pour des gaz suffisamment dilués pour que les interactions ne masquent pas le phénomène de condensation. En 1995, une équipe du laboratoire NIST/JILA (Boulder, Colorado, États-Unis), dirigée par Eric Cornell et Carl Wieman, est parvenue à obtenir pendant quelques secondes un condensat de Bose-Einstein ; il était constitué de quelques milliers d’atomes de rubidium prérefroidis par laser, puis refroidis plus avant par « évaporation » dans un piège magnétique. La température du gaz était alors de l'ordre de 100 nK.

Un troisième chercheur: Wolfgang Ketterle diplômé de l'université Ludwig-Maximilian de Munich étudie également, de son côté, "le refroidissement par laser et le piègeage des atomes froids" ainsi que la superfluidité dans les gaz à « haute température ».

Ces trois chercheurs (Cornell, Wieman et Ketterle), recevront en 2001, le prix Nobel de physique "pour la découverte de la condensation de Bose-Einstein dans les gaz et pour des avancées dans l'étude des propriétés de ces condensats".