Dans un rapport récemment publié, l'équipe Will Lab de l'Université de Columbia rapporte avoir réussi à franchir le seuil de BEC et à créer un condensat de Bose-Eienstein (BEC) de molécules de NaCs à une température ultra-froide de 5 nanoKelvin (= 5 X 10).-9 Kelvin). Le condensat quantique moléculaire était stable avec une durée de vie d'environ 2 secondes. Cela met fin à plusieurs décennies de recherche de BEC moléculaire. Il s’agit d’une réalisation remarquable et d’une étape importante dans la science.
Il est communément connu que la matière se trouverait dans l’un ou l’autre de trois états, à savoir. solide, liquide ou gazeux en fonction des conditions externes telles que la température et la pression. Par exemple, H2O se trouve sous forme de glace, d’eau ou de vapeur dans des conditions extérieures ordinaires.
Lorsque la température est supérieure à 6000 10,000-XNUMX XNUMX Kelvin, la matière est ionisée et se transforme en plasma, le quatrième état de la matière.
Quel serait l’état de la matière si la température était ultra-basse proche du zéro absolu ?
En 1924-25, Satyendra Nath Bose et Albert Einstein ont fait une prédiction théorique selon laquelle si boson Si les particules (c'est-à-dire les entités avec une valeur de spin entière) sont refroidies à une température ultra-basse proche du zéro absolu, les particules fusionneraient en une seule entité plus grande avec des propriétés et des comportements partagés régis par les lois de la mécanique quantique. Appelé condensat de Bose-Einstein (BEC), cet état était considéré comme le cinquième état de la matière.
| États de la matière | Plage de température d'existence |
| Plasma | au-dessus de 6000 10,000 à XNUMX XNUMXK |
| Gaz | Pour eau, au-dessus de 100°C à pression atmosphérique normale |
| Liquide | Pour l'eau, entre 4°C et 100°C |
| Solide | Pour eau, en dessous de 0°C |
| Condensat de Bose-Eisenstein (BEC) | Près du zéro absolu Environ 400 nanoKelkin pour les bosons atomiques Environ 5 nanokelvins pour le BCE moléculaire {1 nanoKelvin (nK) = 10 -9 Kelvin} Zéro absolu = 0 kelvin = -273°C |
La prédiction théorique du condensat de Bose-Einstein (BEC), le cinquième état de la matière, est devenue réalité près de sept décennies plus tard, en 1995, lorsqu'Eric Cornell et Carl Wieman ont créé le premier BEC dans un gaz d'atomes de rubidium, et peu de temps après, Wolfgang Ketterle a produit un BEC dans un gaz d'atomes de sodium. Le trio a reçu conjointement le prix Nobel de physique 2001″pour la réalisation de la condensation de Bose-Einstein dans des gaz dilués d'atomes alcalins et pour les premières études fondamentales des propriétés des condensats" .
Chronologie des progrès de la science du cinquième état de la matière
| Milestones |
| 1924-25 : La prédiction théorique du cinquième état de la matière. Satyendra Nath Bose et Albert Einstein ont prédit théoriquement qu'un groupe de particules de bosons refroidies à un zéro quasi absolu fusionnerait en une super-entité unique et plus grande avec des propriétés et des comportements partagés dictés par les lois de la mécanique quantique. |
| 1995 : Découverte du cinquième état de la matière – création des premiers BEC atomiques. La prédiction théorique de Bose et Einstein devient réalité 70 ans plus tard, lorsque Eric Cornell et Carl Wieman ont créé le premier BEC dans un gaz d'atomes de rubidium, et peu de temps après, Wolfgang Ketterle a produit un BEC dans un gaz d'atomes de sodium. |
| BCE moléculaires La recherche de BCE moléculaires qui nécessitent un ultra-refroidissement en nanoKelvin (10-9 Kelvin) gamme |
| 2008: Deborah Jin et Jun Ye refroidi un gaz de molécules de potassium-rubidium jusqu'à environ 350 nanoKelvin. |
| 2023: Ian Stevenson et al a créé le premier gaz ultra-froid de molécules de sodium-césium (Na-Cs) à une température de 300 nanoKelvin (nK) en utilisant une combinaison de refroidissement laser et de manipulations magnétiques. |
| 2023: Nicolas Bigagli et al utilisé des micro-ondes pour prolonger la durée de vie d'un gaz bosonique composé de molécules de sodium-césium de quelques millisecondes à plus d'une seconde, une première étape essentielle pour les refroidir. Avec leur échantillon plus durable, ils ont abaissé la température à 36 nanoKelvin, soit un peu moins que la température nécessaire pour que les molécules forment un BEC. |
| 2024: Nicolas Bigagli et al crée un BEC de bosons moléculaires (molécules NaCs) à une température ultra-froide de 5 nanoKelvin (nK) |
Depuis la découverte en 1995, les laboratoires du monde entier et de la Station spatiale internationale (ISS) fabriquent régulièrement des BEC atomiques à partir de différents types d'atomes.
Moléculaire Condensat de Bose-Einstein (BEC)
Les atomes sont des entités simples, rondes, sans interactions polaires. C’est pourquoi les chercheurs ont toujours pensé à créer un condensat de Bose-Einstein (BEC) à partir de molécules. Mais la création de BEC, même de molécules simples, constituées de deux atomes d’éléments différents, n’a pas été possible en raison du manque de technologie permettant de refroidir les molécules à quelques nanoKelvin (nK) nécessaires à la formation de BEC moléculaire.
Les chercheurs du Will Lab de l’Université de Columbia ont constamment travaillé au développement d’une technologie ultra-froide. En 2008, ils ont réussi à refroidir un gaz composé de molécules de potassium-rubidium à environ 350 nanoKelvin. Il a aidé à réaliser des simulations quantiques et à étudier les collisions moléculaires et la chimie quantique, mais n'a pas pu franchir le seuil du BEC. L’année dernière, en 2023, ils ont utilisé des micro-ondes pour prolonger la durée de vie d’un gaz bosonique composé de molécules de sodium-césium et ont pu atteindre une température plus basse de 36 nanoKelvin, ce qui était plus proche du seuil BEC.
Dans un rapport récemment publié, l'équipe Will Lab de l'Université de Columbia rapporte avoir réussi à franchir le seuil de BEC et à créer un condensat de Bose-Eienstein (BEC) de molécules de NaCs à une température ultra-froide de 5 nanoKelvin (= 5 X 10).-9 Kelvin). Le condensat quantique moléculaire était stable avec une durée de vie d'environ 2 secondes. Cela met fin à plusieurs décennies de recherche de BEC moléculaire. Il s’agit d’une réalisation remarquable et d’une étape importante dans la science.
La création de condensats moléculaires de Bose-Einstein (BES) aurait une pertinence à long terme pour la recherche en physique quantique fondamentale, les simulations quantiques, la superfluidité et la supraconductivité et l'innovation de nouvelles technologies telles qu'un nouveau type d'ordinateur quantique.
***
Références:
- Bigagli, N., Yuan, W., Zhang, S. et al. Observation de la condensation de Bose – Einstein de molécules dipolaires. Nature (2024). 03 juin 2024. DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-024-07492-z Version préimprimée sur arXiv https://arxiv.org/pdf/2312.10965
- Université Columbia 2024. Actualités de la recherche – Le laboratoire le plus froid de New York propose une nouvelle offre quantique. Publié le 03 juin 2024. Disponible sur https://news.columbia.edu/news/coldest-lab-new-york-has-new-quantum-offering
- L'Académie royale des sciences de Suède. Informations avancées sur le prix Nobel de physique 2001 – Condensation de Bose-Einstein dans les gaz alcalins. Disponible à https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2001-1.pdf
- NASA. Le cinquième état de la matière. Disponible à https://science.nasa.gov/biological-physical/stories/the-fifth-state-of-matter/
***
 of NaCs molecules at a ultracold temperature of 5 nanoKelvin (= 5 X 10-9 Kelvin). The molecular quantum condensate was stable with a lifespan of about 2 seconds. This ends several decades long pursuit of molecular BEC. This is a remarkable achievement and a milestone in science.){kind=link}