Des molécules assemblées en un même état quantique : « on essayait depuis des décennies »

« On essayait de faire cela depuis des décennies, alors on est très excité », s’est félicité Cheng Chin, professeur de physique à l’UChicago. Dans une étude parue dans Nature le 28 avril 2021, ce physicien et son équipe expliquent avoir accompli un défi majeur de la physique : rassembler des milliers de molécules différentes en un seul et même état quantique, au même moment. « C’est l’un de mes objectifs depuis que je suis étudiant », a confié Cheng Chin dans le communiqué associé à l’étude.

Le condensat Bose-Einstein

Cela rejoint un cinquième état de la matière appelé « condensat Bose-Einstein » qui, jusqu’ici, n’avait été accompli qu’avec des atomes.

Assemblés dans un piège magnétique, les atomes sont portés à leur plus faible niveau d’énergie en étant réduits à des températures proches du zéro absolu, ce qui forme une sorte de nuage gazeux. En raison du piège magnétique et de leur ralentissement, les atomes se rapprochent, se chevauchent, se condensent, pour ne former plus qu’un seul et même état quantique. Les atomes deviennent ensemble une sorte de super-atome.

Représentation du condensat Bose-Einstein (Wikimedia).

Ce n’est pas un état de la matière qui s’obtient facilement, et le maintenir un certain temps est encore plus ardu (il faut être sur l’ISS, à l’heure actuelle, pour réussir à le maintenir plus d’une seconde). Mais avec les molécules, ce processus est encore plus compliqué. Alors comment les physiciens publiant cette étude dans Nature ont-ils fait ?

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Contrôler les molécules n’est pas simple

Il se trouve que les molécules sont plus grandes que les atomes, et bien plus incontrôlables puisqu’elles comportent différents éléments « mobiles » qui peuvent entrainer toute une variété de comportements. Essayez de les contrôler, alors vous obtiendrez le chaos, car elles partiront dans tous les sens sauf dans celui souhaité, comme l’explique Cheng Chin : « Les atomes sont de simples objets sphériques, alors que les molécules peuvent vibrer, tourner, porter de petits aimants. Parce que les molécules peuvent faire tant de choses différentes, cela les rend plus utiles, et en même temps beaucoup plus difficiles à contrôler. » L’équipe de recherche n’a pu réussir ce défi qu’en s’appuyant sur de nouvelles technologies.

Pour y arriver, les physiciens ont dû pousser le refroidissement du système moléculaire au plus loin des possibilités techniques actuelles, soit une température de 10 nanokelvins, une mesure extrêmement proche du zéro absolu. Ensuite, toute la problématique était de faire en sorte que les molécules restent stables, car sinon, « les molécules veulent se déplacer dans toutes les directions ». Les physiciens ont donc maintenu les molécules dans le vide, à plat, pour limiter leurs possibilités de déplacement : « Nous avons confiné les molécules de sorte qu’elles se trouvent sur une surface 2D et ne peuvent se déplacer que dans deux directions. »

Image des molécules, assemblées avec succès dans un condensat Bose-Einstein.

Source : Chin Lab

Le résultat est un succès : les molécules se sont finalement retrouvées dans un état quantique unique, comme si elles étaient virtuellement des molécules parfaitement identiques (même orientation, même fréquence de vibration).

Dans la perspective de pouvoir construire et contrôler des systèmes de particules, il s’agit d’un pas en avant. « Dans la manière traditionnelle de penser la chimie, on pense à quelques atomes et molécules qui entrent en collision et forment une nouvelle molécule. Mais dans le régime quantique, toutes les molécules agissent ensemble, dans un comportement collectif. Cela ouvre une toute nouvelle voie pour explorer comment les molécules peuvent toutes réagir ensemble pour devenir un nouveau type de molécule », explique Cheng Chin.