Une expérience d'atomes ultra-froids en chute libre dans un laboratoire

Publié par Adrien le 20/03/2020 à 09:00
Source: CNRS INP
Les physiciens ont développé un nouvel outil d'étude des effets de la force de gravitation en créant par piégeage optique des condensats d'atomes ultra-froids synchronisés avec le mouvement d'un "ascenseur d'Einstein". Celui-ci simule en laboratoire une chute libre de 400 millisecondes répétée toutes les 13 secondes.

Les chercheurs cherchent à connaitre les effets de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) dans de nombreux domaines de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...), tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) particulièrement en physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) où des précisions ultimes sont nécessaires comme par exemple pour les mesures de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) ou pour les tests fondamentaux de la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale qui étend le principe de relativité aux référentiels non-inertiels, est une théorie...). Ils cherchent pour cela à réaliser des expériences en impesanteur (L'impesanteur est l'état d'un corps tel que l'ensemble des forces gravitationnelles et inertielles auxquelles il est soumis possède une résultante et un moment résultant nuls. L'impesanteur est donc le...), c'est-à-dire dans un référentiel en mouvement sous l'effet de la seule force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) de l'attraction gravitationnelle, autrement dit en chute libre. Les forces d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur une droite à vitesse constante) n'est...) et de gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction réciproque des corps massifs entre eux, sous l'effet de leur masse. Il s'observe au quotidien en raison de l'attraction terrestre...) se compensent alors, il en résulte une gravité ressentie quasi-nulle. C'est le cas des expériences se déroulant avec des fusées sondes, lors de vols paraboliques dans l'airbus (Airbus est un constructeur aéronautique européen et également un acteur majeur dans la construction aéronautique mondiale. Filiale à 100 % du groupe...) 0-g, ou encore en orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis,...) de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus...) sur la station spatiale internationale (La Station spatiale internationale (en anglais International Space Station ou ISS) est un habitat placé en orbite terrestre basse, occupé en permanence par un...) ISS. Sur Terre, on accède à l'impesanteur avec des tours de chute libre, qui existent à Brême ou à Hanovre, dans lesquelles on lâche les expériences vers le sol, comme dans un ascenseur (Un ascenseur est un dispositif mobile assurant le déplacement des personnes (et des objets) en hauteur sur des niveaux définis d'une construction.) dont le câble serait coupé (Un coupé est une voiture fermée, à deux portes (parfois trois avec hayon ou quatre comme l'ont fait certains constructeurs américains) et possédant deux, quatre ou cinq places. Il est caractérisé par la forme particulière de l'arrière...).


À droite, photographie du dispositif expérimental. L'ascenseur se trouve entre les deux piliers bleus, l'expérience étant en position basse. Le cylindre à gauche de l'ascenseur est un réservoir d'air comprimé (L'air comprimé est de l'air ambiant, mis sous pression avec un compresseur, le plus souvent aux alentours de 10 bars mais parfois jusque 300 bars.) permettant de guider et propulser l'ascenseur. Les baies au premier plan contiennent les différents lasers et dispositifs de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de...) d'atomes.
À gauche, image d'un nuage d'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple...) obtenu dans l'ascenseur. En haut, avant condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui passe d'un état dilué (gaz) à un état condensé (solide ou liquide). On peut expérimenter ce changement d'état en passant lors d'une...), en bas après condensation lors de la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de chute libre, où le nuage reste immobile et de petite taille (environ 100 µm) pendant toute l'expérience.
@ LP2N (CNRS/IOGS/Univ. Bordeaux)

Pour atteindre les précisions ultimes recherchées, on utilise des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une...) quantiques extrêmement sensibles aux forces d'inertie et de gravitation dans lesquels il est indispensable d'utiliser des nuages d'atomes à des températures inférieures à quelques microkelvins, ultimement refroidis sous forme de condensats de Bose-Einstein. On crée ainsi avec ces atomes des faisceaux d'ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) que l'on va, comme pour les faisceaux lumineux, séparer en deux parties puis recombiner pour former un interféromètre. Le parcours des ondes de matière, et donc le déphasage dans l'interféromètre, dépend des forces exercées sur les atomes et en particulier des forces d'inertie et de gravitation. Ces condensats de Bose-Einstein ont déjà été mis en oeuvre dans une fusée (Fusée peut faire référence à :) sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les mesures in situ (champs...) et sur l'ISS afin de tester les effets de la gravité en physique fondamentale. Ils étaient obtenus grâce à des puces à atomes pour lesquelles le piégeage et refroidissement est assuré à l'aide de champs magnétiques. Une autre méthode pour produire ces condensats, alors dits "tout optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.)", utilise exclusivement des champs lumineux pour le piégeage et le refroidissement. Elle a l'avantage de rassembler des atomes dans des configurations insensibles aux perturbations magnétiques et loin de toute surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) qui pourrait perturber la mesure.

Des physiciens du Laboratoire photonique, numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information ayant été quantifiée et échantillonnée, par opposition à une information dite...) et nanosciences (LP2N, CNRS/IOGS/Univ. Bordeaux) et du laboratoire Systèmes de référence temps-espace (SYRTE, CNRS/Observatoire de Paris/Sorbonne Univ.), soutenus par le CNES et l'ESA, ont réussi à produire de tels condensats de Bose-Einstein tout optique en impesanteur dans une simple salle de laboratoire. Pour cela, ils ont optimisé les outils de refroidissement en les synchronisant avec le mouvement d'une sorte d'ascenseur qui effectue des cycles de montée et de descente avec une période de chute libre. Ces résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters. L'accès en laboratoire d'un tel dispositif d'impesanteur facilite grandement le contrôle de l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques...) expérimental tel qu'il est exigé par les mesures de grande précision.

L'ascenseur, dénommé "ascenseur d'Einstein", d'une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) d'environ 3 mètres a été développé par la société Symétrie installée à Nîmes, créant des conditions d'impesanteur pendant 400 millisecondes. Les étapes du refroidissement optique des atomes ont été optimisées pour obtenir en une seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...) un condensat prêt à être utilisé pendant la phase d'impesanteur de cet ascenseur. Ce condensat contient 10 000 atomes de rubidium (Le rubidium est un élément chimique, de symbole Rb et de numéro atomique 37.) (87Rb) dans un nuage dont la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) est de l'ordre de 100 nanokelvins. L'étape suivante est l'obtention d'un interféromètre atomique. L'expérience, qui peut être reproduite toutes les 13 secondes, permettra aux chercheurs d'accroître la sensibilité des mesures en accumulant plus de cent heures (L'heure est une unité de mesure  :) d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) par an. Si l'impesanteur sur Terre ne pourra jamais concurrencer celle de l'espace, la facilité d'accès et les cycles répétés qu'autorise cet ascenseur d'Einstein en font néanmoins un nouvel outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la...) pour préparer les futures campagnes spatiales et démontrer expérimentalement l'augmentation de la sensibilité attendue lors de telles missions.

Références

All-optical Bose-Einstein condensates in microgravity. G. Condon, M. Rabault, B. Barrett, L. Chichet, R. Arguel, H. Eneriz-Imaz, D. Naik, A. Bertoldi, B. Battelier, P. Bouyer et A. Landragin, Physical Review Letters, le 13 décembre 2020.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.123.240402.
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL.
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