Des physiciens du JILA, un institut conjoint du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de l’Université du Colorado à Boulder, ont produit un gaz de molécules de potassium-rubidium à des températures aussi basses que 50 nanokelvins (nK) – soit 50 milliardièmes de kelvin, ou juste un peu au-dessus du zéro absolu. Les deux atomes concernés appartiennent à des classes différentes : le potassium est un fermion (avec un nombre impair de composants subatomiques appelés protons et neutrons), et le rubidium est un boson (avec un nombre pair de composants subatomiques).
Impression d’artiste d’un gaz quantique de molécules de potassium-rubidium à un niveau de froid record. Crédit photo : Steven Burrows / JILA.
Dans un gaz quantique, toutes les propriétés des molécules sont limitées à des valeurs spécifiques, ou quantifiées, comme les barreaux d’une échelle ou les notes d’une gamme musicale.
Le refroidissement du gaz aux températures les plus basses permet aux physiciens de contrôler au maximum les molécules.
“Les techniques de base pour fabriquer le gaz sont les mêmes que celles que nous avons utilisées auparavant, mais nous avons quelques nouvelles astuces, comme l’amélioration significative du refroidissement des atomes, en créant davantage d’entre eux dans l’état d’énergie le plus bas. Il en résulte un meilleur rendement de conversion, ce qui nous permet d’obtenir davantage de molécules”, a déclaré le Dr Jun Ye, membre du NIST/JILA.
Jusqu’à présent, les molécules à deux atomes les plus froides étaient produites en nombres maximums de quelques dizaines de milliers et à des températures ne dépassant pas quelques centaines de nK.
Ye et ses collègues ont produit 100.000 molécules à 250 nK et jusqu’à 25.000 molécules à 50 nK.
“Ce record de température du gaz est beaucoup plus bas que (environ un tiers) du niveau où les effets quantiques commencent à prendre le dessus sur les effets classiques, et les molécules durent quelques secondes”, a déclaré le Dr Ye.
Le nouveau gaz est le premier à être suffisamment froid et dense pour que les ondes de matière de ces molécules soient plus longues que les distances entre elles, ce qui les fait se chevaucher les unes les autres pour créer une nouvelle entité. Les physiciens appellent cela la dégénérescence quantique.
La dégénérescence quantique signifie également une augmentation de la répulsion entre les particules fermioniques, qui ont tendance à être plus longues de toute façon, ce qui entraîne moins de réactions chimiques et un gaz plus stable.
“C’est la première expérience dans laquelle les scientifiques ont observé des effets quantiques collectifs affectant directement la chimie des molécules individuelles”, a déclaré le Dr Ye.
“Et c’est aussi le premier gaz dégénéré quantique de molécules stables en vrac, et les réactions chimiques sont supprimées – un résultat que personne n’avait prédit.”
Les molécules créées dans cette expérience sont appelées molécules polaires car elles ont une charge électrique positive au niveau de l’atome de rubidium et une charge négative au niveau de l’atome de potassium. Leurs interactions varient selon la direction et peuvent être contrôlées par des champs électriques.
Les molécules polaires offrent donc des interactions plus fortes et plus ajustables, ainsi que des “boutons” de contrôle supplémentaires par rapport aux particules neutres.
Ces nouvelles températures ultra-basses permettront aux scientifiques de comparer les réactions chimiques dans des environnements quantiques et classiques et d’étudier comment les champs électriques affectent les interactions polaires.
Les avantages pratiques éventuels pourraient inclure de nouveaux processus chimiques, de nouvelles méthodes d’informatique quantique utilisant des molécules chargées comme bits quantiques, et de nouveaux outils de mesure de précision tels que les horloges moléculaires.
Les résultats sont publiés dans la revue Science.
