La matière a une double nature ; tout existe à la fois sous forme de particule et d’onde. À une température proche du zéro absolu, la nature ondulatoire des atomes devient observable par rayonnement dans le domaine visible. À des températures ultra-froides de l’ordre du nanoKelvin, les atomes fusionnent en une seule entité plus grande et passent au cinquième état appelé Bose Eisenstein Condensate (BEC) qui se comporte comme une onde dans un grand paquet. Comme toutes les ondes, les atomes dans cet état présentent un phénomène d’interférence et les modèles d’interférence des ondes atomiques peuvent être étudiés en laboratoire. Les interféromètres atomiques déployés dans l'environnement de microgravité de l'espace agissent comme un capteur extrêmement précis et permettent de mesurer la plupart des faibles accélérations. Le Cold Atom Laboratory (CAL), de la taille d'un mini-réfrigérateur, en orbite autour de la Terre à bord de la Station spatiale internationale (ISS), est une installation de recherche pour l'étude des gaz quantiques ultra-froids dans l'environnement de microgravité de l'espace. Il a été mis à niveau avec l'interféromètre atomique il y a quelques années. Selon le rapport publié le 13 août 2024), les chercheurs ont mené avec succès des expériences exploratoires. Ils pourraient mesurer les vibrations de l'ISS à l'aide d'un interféromètre Mach-Zehnder à trois impulsions à bord de l'installation CAL. C'était la première fois qu'un capteur quantique était utilisé dans l'espace pour détecter les changements dans l'environnement immédiat. La deuxième expérience impliquait l'utilisation de l'interférométrie à ondes de cisaillement de Ramsey pour manifester des modèles d'interférence en une seule fois. Les modèles étaient observables pendant plus de 150 ms de temps d'expansion libre. Il s’agit de la plus longue démonstration de la nature ondulatoire des atomes en chute libre dans l’espace. L’équipe de recherche a également mesuré le recul des photons du laser Bragg pour démontrer le premier capteur quantique utilisant l’interférométrie atomique dans l’espace. Ces évolutions sont significatives. En tant que capteurs les plus précis, les interféromètres à atomes ultra-froids basés dans l'espace peuvent mesurer des accélérations extrêmement faibles et offrent ainsi aux chercheurs la possibilité d'explorer des questions (telles que la matière noire et l'énergie noire, l'asymétrie matière-antimatière, l'unification de la gravité avec d'autres domaines). que la Relativité Générale et le Modèle Standard de la physique des particules ne peuvent pas expliquer ni combler les lacunes de notre compréhension de l'univers.
Les ondes présentent le phénomène d'interférence, c'est-à-dire que deux ou plusieurs ondes cohérentes se combinent pour donner naissance à une onde résultante qui peut avoir une amplitude plus élevée ou plus faible selon les phases des ondes combinées. Dans le cas de la lumière, nous voyons des ondes résultantes sous forme de franges sombres et claires.
L'interférométrie est une méthode de mesure de caractéristiques utilisant le phénomène d'interférence. Cela implique de diviser l'onde incidente en deux faisceaux qui parcourent des chemins différents puis se combinent pour former un motif d'interférence ou des franges résultantes (dans le cas de la lumière). Le motif d'interférence résultant est sensible aux changements dans les conditions des trajets des faisceaux, par exemple, tout changement dans la longueur du trajet ou dans tout champ par rapport à la longueur d'onde influence le diagramme d'interférence et peut être utilisé pour des mesures.
onde de Broglie ou onde de matière
La matière a une double nature ; il existe à la fois sous forme de particule et d’onde. Chaque particule ou objet en mouvement a une caractéristique d'onde donnée par l'équation de Broglie
λ = h/mv = h/p = h/√3mKT
où λ est la longueur d'onde, h est la constante de Planck, m est la masse, v est la vitesse de la particule, p est l'impulsion, K est la constante de Boltzmann et T est la température en Kelvin.
La longueur d'onde thermique de Broglie est inversement proportionnelle à la racine carrée de la température en kelvin, ce qui signifie que λ sera plus grand à température plus basse.
Etude des ondes d'atomes ultra froids
Pour un atome typique, la longueur d'onde de de Broglie à température ambiante est de l'ordre de l'angström (10⁻¹⁰ m ), soit 0.1 nanomètre (1 nm = 10⁻⁹ m ). Un rayonnement de longueur d'onde donnée permet de résoudre des détails de cette même taille. La lumière ne peut pas résoudre des détails plus petits que sa longueur d'onde ; par conséquent, un atome typique à température ambiante ne peut pas être imagé avec la lumière visible, dont la longueur d'onde se situe entre 400 et 700 nm environ. Les rayons X le permettent grâce à leur longueur d'onde de l'ordre de l'angström, mais leur haute énergie détruit les atomes qu'ils sont censés observer. La solution réside donc dans l'abaissement de la température de l'atome (en dessous de 10⁻⁶ kelvins ) afin que les longueurs d'onde de de Broglie augmentent et deviennent comparables à celles de la lumière visible. À des températures extrêmement basses, la nature ondulatoire des atomes devient mesurable et pertinente pour l'interférométrie.
Lorsque la température des atomes est abaissée dans la gamme des nanokelvins (10⁻⁹ kelvins ) jusqu'à environ 400 nK, les bosons atomiques transitent vers un cinquième état de la matière appelé condensat de Bose-Einstein (BCE). À ces températures extrêmement basses, proches du zéro absolu, où les mouvements thermiques des particules deviennent négligeables, les atomes fusionnent en une seule entité plus grande qui se comporte comme une onde au sein d'un vaste paquet d'ondes. Cet état atomique offre aux chercheurs la possibilité d'étudier les systèmes quantiques à l'échelle macroscopique. Le premier BCE atomique a été créé en 1995 dans un gaz d'atomes de rubidium. Depuis, ce domaine a connu de nombreuses avancées technologiques. Le BCE moléculaire de molécules de NaCs a récemment été créé à une température ultra-basse de 5 nanokelvins (nK).
Les conditions de microgravité dans l’espace sont meilleures pour la recherche en mécanique quantique
La gravité dans les laboratoires terrestres nécessite l’utilisation d’un piège magnétique pour maintenir les atomes en place afin d’assurer un refroidissement efficace. La gravité limite également le temps d'interaction avec les BEC dans les laboratoires terrestres. La formation de BEC dans l’environnement de microgravité des laboratoires spatiaux surmonte ces limitations. L'environnement de microgravité peut augmenter le temps d'interaction et réduire les perturbations du domaine appliqué, soutenant ainsi mieux la recherche en mécanique quantique. Les BCE se forment désormais régulièrement dans des conditions de microgravité dans l’espace.
Laboratoire d'atomes froids (CAL) de la Station spatiale internationale (ISS)
Cold Atom Laboratory (CAL) est une installation de recherche multi-utilisateurs basée à la Station spatiale internationale (ISS) pour l'étude des gaz quantiques ultra-froids dans l'environnement de microgravité de l'espace. CAL est exploité à distance depuis le centre d’opérations du Jet Propulsion Laboratory.
Dans cette installation spatiale, il est possible d'avoir des temps d'observation supérieurs à 10 secondes et des températures ultra-froides inférieures à 100 picoKelvin (1 pK = 10 -12 Kelvin) pour l'étude des phénomènes quantiques.
Le Cold Atom Lab a été lancé le 21 mai 2018 et installé sur l'ISS fin mai 2018. Un condensat de Bose-Einstein (BEC) a été créé dans cette installation spatiale en juillet 2018. C'était la première fois ; un cinquième état de la matière a été créé en orbite terrestre. Plus tard, l’installation a été modernisée suite au déploiement d’interféromètres à atomes ultrafroids.
CAL a franchi de nombreuses étapes au cours des dernières années. Des condensats de rubidium Bose-Einstein (BEC) ont été produits dans l'espace en 2020. Il a également été démontré que l'environnement de microgravité est avantageux pour les expériences sur des atomes froids.
L'année dernière, en 2023, des chercheurs ont produit un condensat de Bose-Einstein à deux espèces, composé de 87Rb et de 41K , et ont réalisé pour la première fois dans l'espace, au sein du Laboratoire des atomes froids, une interférométrie atomique simultanée avec ces deux espèces atomiques. Ces avancées sont importantes pour les tests quantiques de l'universalité de la chute libre (UFF) dans l'espace.
Progrès récents dans les technologies quantiques spatiales
D'après le rapport publié le 13 août 2024, des chercheurs ont utilisé 87 atomes de rubidium dans l'interféromètre atomique CAL et ont mené avec succès trois expériences préliminaires. Ils ont pu mesurer les vibrations de l'ISS grâce à un interféromètre de Mach-Zehnder à trois impulsions embarqué sur l'installation CAL. C'était la première fois qu'un capteur quantique était utilisé dans l'espace pour détecter des variations dans son environnement immédiat. La deuxième expérience a consisté à utiliser l'interférométrie à ondes de cisaillement de Ramsey pour observer des figures d'interférence en une seule mesure. Ces figures étaient observables pendant plus de 150 ms de temps d'expansion libre. Il s'agissait de la plus longue démonstration de la nature ondulatoire d'atomes en chute libre dans l'espace. L'équipe de recherche a également mesuré le recul des photons laser de Bragg, démontrant ainsi le fonctionnement du premier capteur quantique utilisant l'interférométrie atomique dans l'espace.
Importance des interféromètres à atomes ultrafroids déployés dans l'espace
Les interféromètres atomiques exploitent la nature quantique des atomes et sont extrêmement sensibles aux changements d’accélération ou de champs et ont donc des applications en tant qu’outils de haute précision. Les interféromètres atomiques terrestres sont utilisés pour étudier la gravité et dans les technologies de navigation avancées.
Les interféromètres atomiques spatiaux présentent les avantages d’un environnement de microgravité persistante qui offre des conditions de chute libre avec beaucoup moins d’influence des champs. Il aide également les condensats de Bose-Einstein (BEC) à atteindre des températures plus froides dans la plage picoKelvin et à exister plus longtemps. L'effet net est une durée d'observation prolongée, d'où une meilleure opportunité d'étudier. Cela confère aux interféromètres à atomes ultra-froids déployés dans l’espace des capacités de mesure de haute précision et en fait des super-capteurs.
Les interféromètres à atomes ultrafroids déployés dans l’espace peuvent détecter des variations très subtiles de la gravité, révélatrices de variations de densités. Cela peut aider à étudier la composition des corps planétaires et tout changement de masse.
Une mesure de haute précision de la gravité peut également aider à mieux comprendre la matière noire et l'énergie noire ainsi qu'à explorer les forces subtiles au-delà de la relativité générale et du modèle standard qui décrivent l'univers observable.
La relativité générale et le modèle standard sont les deux théories qui décrivent l'univers observable. Le modèle standard de la physique des particules est essentiellement la théorie quantique des champs. Il ne décrit que 5 % de l'univers, les 95 % restants se trouvent sous des formes sombres (matière noire et énergie noire) que nous ne comprenons pas. Le modèle standard ne peut pas expliquer la matière noire et l’énergie noire. Cela ne peut pas non plus expliquer l’asymétrie matière-antimatière. De même, la gravité n’a pas encore pu être unifiée avec les autres champs. La réalité de l’univers n’est pas entièrement expliquée par les théories et modèles actuels. Les accélérateurs et observatoires géants sont incapables de faire la lumière sur une grande partie de ces mystères de la nature. En tant que capteurs les plus précis, les interféromètres à atomes ultra-froids basés dans l'espace offrent aux chercheurs la possibilité d'explorer ces questions afin de combler les lacunes de notre compréhension de l'univers.
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Références:
- Meystre, Pierre 1997. Quand les atomes deviennent ondes. Disponible à https://wp.optics.arizona.edu/pmeystre/wp-content/uploads/sites/34/2016/03/when-atoms.pdf
- NASA. Laboratoire Cold Atom – Missions Univers. Disponible à https://www.jpl.nasa.gov/missions/cold-atom-laboratory-cal & https://coldatomlab.jpl.nasa.gov/
- Aveline, DC, et coll. Observation des condensats de Bose-Einstein dans un laboratoire de recherche en orbite autour de la Terre. Nature 582, 193-197 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2346-1
- Elliott, ER, Aveline, DC, Bigelow, NP et al. Mélanges de gaz quantiques et interférométrie atomique à deux espèces dans l’espace. Nature 623, 502-508 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
- Williams, JR, et al 2024. Pathfinder expérimente l’interférométrie atomique dans le Cold Atom Lab à bord de la Station spatiale internationale. Nat Commun 15, 6414. Publié : 13 août 2024. DOI : https://doi.org/10.1038/s41467-024-50585-6 . Version préimprimée https://arxiv.org/html/2402.14685v1
- La NASA présente pour la première fois un capteur quantique « ultra-cool » dans l'espace. Publié le 13 août 2024. Disponible sur https://www.jpl.nasa.gov/news/nasa-demonstrates-ultra-cool-quantum-sensor-for-first-time-in-space
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