Des scientifiques chinois refroidissent des atomes à une température record sur la station spatiale Tiangong

Selon les résultats publiés dans la revue Science le 5 novembre, des scientifiques à bord de la station spatiale chinoise Tiangong ont refroidi un gaz d'atomes de rubidium à 9,7 picokelvins, la température la plus basse jamais atteinte artificiellement. Un picokelvin correspond à un billionième de kelvin. La température mesurée est une « température équivalente » obtenue en mesurant la vitesse d'expansion du nuage atomique, en la traduisant en énergie cinétique et en l'exprimant sous forme de température. L'incertitude est de +3,2/−2,7 picokelvin.

L'expérience

Une équipe de recherche conjointe, comprenant l'université Pékin à Pékin et l'Institut de Shanghai d'optique et de mécanique de précision de l'Académie chinoise des sciences, a réalisé ce travail en utilisant l'installation de recherche en physique des atomes froids (CAPR), installée dans le module expérimental Mengtian de Tiangong. Le module central de Tiangong, Tianhe, a été lancé en avril 2021, et le module expérimental Mengtian en octobre 2022.

L'équipe a d'abord refroidi environ 23 000 atomes de rubidium-87 dans un piège optique où deux faisceaux laser se croisent, en utilisant le refroidissement par évaporation pour les amener à 3,1 nanokelvins. Environ 89 % de tous les atomes se sont condensés dans le même état quantique. Les atomes ont ensuite été transférés dans un deuxième piège optique qui les confine dans une région plus grande, et un processus de refroidissement en deux étapes a été effectué en abaissant progressivement la force du piège pendant environ 1,175 seconde pour permettre au nuage atomique de se dilater lentement. L'analyse des atomes en expansion libre a montré la température équivalente de 9,7 picokelvins. L'état ultracold et la longue durée d'expansion libre devraient améliorer la précision des interféromètres atomiques, qui mesurent de minuscules champs gravitationnels et accélérations en utilisant l'interférence des ondes de matière des atomes.

Comparaison avec les records précédents

Ce record est environ quatre fois inférieur à la température équivalente minimale précédente de 38 picokelvins atteinte dans l'environnement de microgravité d'une tour de chute sur Terre, et environ cinq fois inférieur aux 52 picokelvins enregistrés par le laboratoire Cold Atom (CAL) sur la Station spatiale internationale (ISS). Dans les expériences de tour de chute, l'expansion libre des nuages atomiques a été observée pendant environ 2 secondes, tandis que dans la nouvelle étude, le nuage atomique en expansion libre a été observé pendant 7 secondes.

Contexte scientifique

Lorsque les atomes sont refroidis à des températures ultracoldes, plusieurs atomes partagent un seul état quantique et se comportent collectivement, un phénomène connu sous le nom de condensation de Bose-Einstein (BEC). Cela permet la simulation quantique, la mesure de précision et des expériences qui testent la relation entre la gravité et la mécanique quantique. Sur Terre, la gravité attire les atomes ultracoldes vers le bas, obligeant les chercheurs à les retenir fermement et à raccourcir la durée pendant laquelle ils peuvent être observés. En orbite, les atomes peuvent flotter librement, faisant de l'espace le laboratoire idéal pour de telles expériences.

L'équipe de recherche estime que les résultats pourront être utilisés à l'avenir pour tester les lois physiques fondamentales, telles que le principe d'équivalence, avec une plus grande précision dans l'espace. Le principe d'équivalence est un aspect clé de la théorie générale de la relativité d'Einstein, stipulant que tous les objets tombent de la même manière sous l'effet de la gravité, indépendamment de leur masse ou de leur composition. En utilisant un interféromètre atomique basé sur des atomes ultracoldes, il est possible de mesurer avec précision les infimes différences dans les vitesses de chute de différents types d'atomes. De plus, les chercheurs s'attendent à ce que leur réalisation soit utilisée pour explorer de nouveaux phénomènes physiques ou étudier des états quantiques exotiques qui émergent à des températures ultrabasses.

Pourquoi cela importe

• La mesure de 9,7 picokelvins est la température la plus basse jamais atteinte artificiellement, selon DongA Science.
• L'expérience a utilisé uniquement des lasers pour piéger les atomes, contrairement aux expériences spatiales précédentes qui reposaient sur des aimants.
• Le nuage atomique en expansion libre a été observé pendant 7 secondes, soit plus longtemps que les 2 secondes dans les expériences de tour de chute et environ une seconde à bord de l'ISS.
• Les chercheurs disent que les résultats pourraient améliorer les interféromètres atomiques pour mesurer les champs gravitationnels et tester le principe d'équivalence dans l'espace.

Sources (en anglais)

• sciencenews.org: Record-low temperature created on China’s space station
• scmp.com: Chinese scientists chill atoms to record low on Tiangong space station | South China Morning Post
• dongascience.com: China’s Tiangong Space Station Achieves Record 9.7 Picokelvin Atomic Gas - DongA Science

Traduction réalisée par IA de l’article original en anglais, vérifiée automatiquement pour dire la même chose que l’original. Les sources ont été vérifiées en anglais.