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Ce froid qui vient de la lumière
Quelle chose bizarre que la lumière ! Capable de nous éclairer, de nous chauffer ou de transporter de l’information, elle peut aussi générer du froid. Et pas n’importe lequel : le plus glacial que l’on puisse imaginer…, jusqu’au milliardième de degré au-dessus du zéro absoluFermer Cette température égale à - 273,15 °C (ou 0 kelvin) est la plus basse qui puisse exister dans l’Univers. Tous les atomes et particules deviennent alors parfaitement immobiles. , soit -273,15 °C ! Le secret de cette stupéfiante réfrigération ? Partant du principe que la température d’un gaz augmente avec la vitesse d’agitation des atomes qui le composent, les physiciens ont eu l’idée de ralentir ces atomes. Comment ? En exploitant la pression de radiationFermer À l’instar de la pression d’un gaz, qui résulte des chocs contre une surface des atomes (ou molécules) constituant ce gaz, la pression de radiation résulte des chocs des photons constituant un rayon de lumière. qu’exercent sur eux des faisceaux laser. En effet, lorsque le grain de lumière que constitue un photon est absorbé (ou émis) par un atome, il lui transmet (ou lui enlève) une certaine quantité de mouvement, exactement de la même manière qu’un tir de boulet fait reculer un canon. Résultat : la vitesse de l’atome est légèrement modifiée, de quelques centimètres par seconde. Une variation de vitesse qui peut sembler négligeable si on la compare aux centaines de mètres par seconde que l’atome met pour se déplacer à température ambiante. Mais si l’on répète l’opération 30 millions de fois par seconde grâce à un laser, cette différence devient décisive !
Le refroidissement d’atomes par laser
Cette idée a été mise en œuvre dès les années 1980 au travers des mélasses optiques, des dispositifs qui ont révolutionné plusieurs domaines de la physique moderne, de la métrologie de haute précision aux recherches sur de nouveaux états de la matière. Le principe : croiser dans une enceinte plusieurs faisceaux laser de directions opposées afin de créer une sorte de milieu visqueuxFermer En physique, la viscosité qualifie la résistance d’un matériau à l’écoulement. Plus elle est élevée, plus l’écoulement sera lent. Le miel, par exemple, a une viscosité plus élevée que l’eau. (la fameuse mélasse) où les atomes d’un gaz vont, en quelque sorte, se retrouver « englués » par l’action des photons. De nos jours, ce type d’équipement est utilisé par des dizaines de laboratoires à travers le monde. Les mélasses optiques reposent sur l’exploitation astucieuse de l’effet Doppler, un phénomène employé entre autres par les radars et les appareils d’échographie, selon lequel la fréquence d’une onde est perçue différemment si l’on est en mouvement par rapport à l’émetteur de cette onde (et vice versa). C’est en raison de cet effet que, par exemple, la sirène d’un camion de pompiers qui se rapproche semble passer du grave à l’aigu pour le piéton et repasser au grave lorsque le véhicule s’éloigne.
On sait qu’un atome n’absorbe la lumière qu’à certaines fréquences particulières, dites de résonance. Il se trouve que, sur un atome au repos, la pression exercée par deux lasers de directions opposées s’annule. En revanche, en réglant les lasers sur des fréquences légèrement inférieures à celle de résonance, dès que l’atome est en mouvement, par effet Doppler, la fréquence apparente du laser qui vient à sa rencontre atteint la fréquence de résonance. Le laser freine alors l’atome par pression de radiation. Les physiciens réussissent ainsi, en une fraction de seconde, à ralentir des millions d’atomes jusqu’à des vitesses d’une dizaine de centimètres par seconde seulement. C’est-à-dire qu’ils parviennent à les porter à des températures de l’ordre du… dix-millionième de degrés au-dessus du zéro absolu !
Atomes froids et mesures de précision
Cette technique de refroidissement par effet Doppler – et, plus généralement, celle des mélasses optiques – a valu à Claude Cohen-Tannoudji, du laboratoire Kastler-Brossel (LKB)1, et à ses collègues américains Steven Chu et William Daniel Phillips, le prix Nobel de physique en 1997. Elle a aussi été à l’origine d’une nouvelle génération d’instruments de mesure tels que les accéléromètres, les gyromètres… et surtout les horloges atomiques.
Inventé il y a plus d’un demi-siècle, le procédé par lequel ces machines comptent les secondes repose sur le fait que l’atome a la propriété d’absorber la lumière puis de la réémettre à des fréquences particulières qui dépendent de la nature de ce même atome. Le principe d’une horloge atomique consiste à ajuster la fréquence d’un oscillateur à celle fournie par un de ces atomes. Pour cela, les physiciens emploient le plus souvent le césium. La raison de ce choix ? Ils veulent que leur horloge égrène des secondes ! Or, selon les conventions internationales en vigueur depuis 1967, la seconde correspond très exactement au temps que met le césium pour effectuer 9 192 631 770 oscillations.
Or, il s’avère que les performances des horloges atomiques dépendent directement de la vitesse des atomes, donc de leur température. « De fait, explique Noël Dimarcq, directeur de recherche CNRS au laboratoire Syrte2, plus les atomes sont rapides, moins les physiciens disposent de temps pour comparer, avec précision, la fréquence de l’oscillateur à celle de l’atome et plus l’effet Doppler décalant les fréquences est important, ce qui a, in fine, une incidence sur la qualité de la mesure ». D’où la conception à la fin des années 1980 dans des laboratoires comme le Syrte et le LKB, en France, d’un nouveau type d’horloge : les fontaines atomiques. Dans ce dispositif, des atomes de césium sont refroidis dans une mélasse optique, puis lancés vers le haut avant de retomber sous l’effet de la gravité au terme d’une ascension d’environ un mètre. En les sondant au moment de leur montée et de leur descente et en répétant l’opération un grand nombre de fois, les physiciens obtiennent avec cette méthode une définition de la seconde d’une précision de seize chiffres ; soit une exactitude cent fois meilleure que celle obtenue avec des horloges classiques ! Autre avantage : leur stabilité. En effet, les fontaines atomiques ne dérivent que d’une seconde tous les… 300 millions d’années !
Ces performances – quoiqu’elles aient déjà été dépassées par l’arrivée des horloges optiques utilisant des fréquences atomiques 50 000 fois plus élevées que celles du césium – ne sont pas uniquement exploitées pour la seule mesure du temps. Des systèmes tels que le GPS – dont le temps de référence est synchronisé à l’aide de fontaines atomiques – en bénéficient aussi. On les utilise aussi en recherche fondamentale pour vérifier certaines théories physiques comme la relativité. Actuellement en préparation, la mission ACES de l’Agence spatiale européenne va, par exemple, consister à installer dans les prochaines années à bord de la Station spatiale internationale, l’horloge Pharao à atomes de césium refroidis par laser. Celle-ci est développée par le Centre national d’études spatiales avec le concours de plusieurs laboratoires et industriels français3. En comparant les mesures de cet instrument à celles d’équipements semblables restés sur Terre, les physiciens vont pouvoir tester le principe de la relativité générale d’Einstein à des niveaux inédits de précision !
Vers des états exotiques de la matière
Le refroidissement d’atomes par laser a toutefois des limites. En effet, les physiciens ont constaté qu’au-delà d’un certain niveau d’abaissement de la température, les atomes confinés dans les mélasses optiques les plus denses cessent de ralentir et finissent par s’assembler et former des molécules. Cela a conduit à imaginer une technique complémentaire tirant parti d’une autre propriété de la lumière, qui « attire » les atomes dans les endroits où elle est la plus intense, jusqu’à les y confiner. Le procédé consiste donc à utiliser une mélasse optique pour « remplir » une de ces zones de forte irradiation ; puis à abaisser peu à peu l’intensité de cette lumière, de façon à évacuer du mélange les atomes véloces pour ne conserver que les plus lents. Ce refroidissement par évaporation aboutit alors à des résultats spectaculaires. Il permet en particulier de porter la température d’un nuage d’atomes à des valeurs de l’ordre du nano-kelvin, soit un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu !
Des niveaux si bas qu’ils frôlent l’immobilité la plus totale, un monde où la matière change complètement de comportement pour acquérir des propriétés franchement exotiques. Certains gaz deviennent ainsi superfluides, acquérant l’étonnante capacité de s’écouler sans plus aucune viscosité. « En particulier, indique Jean Dalibard, professeur au Collège de France, il devient possible de créer à partir de bosons (en l’occurrence, des atomes dont le noyau contient un nombre pair de neutrons), des condensats de Bose-Einstein gazeux, un état de la matière dont l’existence fut prédite dans les années 1920. » Dans ces milieux, des millions d’atomes placés dans un même état d’énergie et devenus indiscernables les uns des autres se mettent à marcher au pas à la manière de petits soldats, et se comportent comme les photons dans les lasers. Leur mise en évidence a permis aux Américains Eric Cornell et Carl Wieman et à l’Allemand Wolfgang Ketterle d’obtenir le prix Nobel de physique en 2001. « Cette matière quantique peut être ensuite placée dans des “boîtes“ formées par de la lumière et il est alors possible d’étudier son transport d’une boîte à l’autre, en analogie avec le transport des charges dans un circuit électronique », explique le chercheur. Du fait de leurs dimensions caractéristiques, ces condensats de Bose-Einstein (et leur équivalent, les gaz de Fermi, obtenus non plus avec des bosons mais des fermions, atomes à nombre impairs de neutrons) pourraient permettre des avancées bien au-delà des accéléromètres, gyromètres et horloges atomiques. « Les physiciens cherchent notamment, assure Jean Dalibard, à les utiliser comme des simulateurs quantiques, à même de les aider à résoudre des problèmes d’une haute complexité dans des domaines aussi ardus que la physique hors équilibre, la matière topologique ou encore la supraconductivité à haute température. » De quoi fortement échauffer les esprits des scientifiques…
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Supraconductivité : et pour quelques degrés de plus…
La supraconductivité a été découverte en 1911 par le physicien hollandais Heike Kamerlingh Onnes : ce dernier a constaté que quand le mercure était refroidi en dessous de -269 °C (4,2 kelvins) il conduisait le courant électrique sans aucune résistance – et donc sans aucune déperdition de l’énergie électrique sous forme de chaleur. On s’est aperçu ensuite que la plupart des métaux deviennent supraconducteurs à condition d’être refroidis à des températures voisines du zéro absolu, que l’on obtient généralement en les plongeant dans de l’hélium liquide. Plus récemment, on a découvert que certains alliages spéciaux, tels les cuprates et les pnictures, pouvaient devenir supraconducteurs à environ 80 kelvins, une température que l’on peut obtenir grâce à de l’azote liquide, beaucoup plus accessible que l’hélium liquide. Depuis, les chercheurs tentent de comprendre d’où vient cette supraconductivité, dite à haute température, pour pouvoir l’améliorer et, pourquoi pas, trouver des supraconducteurs à température ambiante, qui ne nécessiteraient donc plus aucune réfrigération. Utilisée en recherche fondamentale pour des accélérateurs de particules comme le LHC, la supraconductivité pourrait déboucher sur de nouvelles applications en imagerie médicale, pour la lévitation électromagnétique et le stockage d’électricité.
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