Une équipe de physiciens dirigée par le professeur Martin Zwierlein du Massachusetts Institute of Technology a refroidi des molécules de sodium-potassium (NaK), chacune constituée d’un seul atome de sodium et de potassium, à une température de 500 nanokelvins – très proche du zéro absolu et plus d’un million de fois plus froide que l’espace interstellaire.
Dans cette illustration d’artiste, la molécule sodium-potassium est représentée par des sphères de glace fusionnées : la plus petite sphère à gauche représente un atome de sodium, et la plus grande sphère à droite est un atome de potassium. Crédit image : Jose-Luis Olivares / MIT.
Chaque molécule est composée d’atomes individuels qui sont liés ensemble pour former une structure moléculaire. La molécule la plus simple, qui ressemble à un haltère, est constituée de deux atomes reliés par des forces électromagnétiques.
Le professeur Zwierlein et ses collègues ont cherché à créer des molécules ultra-froides de sodium-potassium. Cependant, en raison de leurs nombreux degrés de liberté, il est très difficile de refroidir directement les molécules. Les atomes, avec leur structure beaucoup plus simple, sont beaucoup plus faciles à refroidir.
Dans un premier temps, les physiciens ont utilisé des lasers et le refroidissement par évaporation pour refroidir des nuages d’atomes de sodium et de potassium individuels jusqu’à un niveau proche du zéro absolu. Ils ont ensuite collé les atomes ensemble pour former des molécules ultrafroides, en appliquant un champ magnétique pour inciter les atomes à se lier – un mécanisme connu sous le nom de “résonance de Feshbach”.
L’équipe a découvert que les molécules ultra-froides de sodium-potassium présentaient des moments dipolaires très forts et étaient relativement durables et stables, résistant aux collisions réactives avec d’autres molécules.
“Alors que les molécules sont normalement pleines d’énergie, qu’elles vibrent, tournent et se déplacent dans l’espace à un rythme frénétique, les molécules ultra-froides ont été effectivement calmées – refroidies à des vitesses moyennes de quelques centimètres par seconde et préparées dans leurs états vibratoires et rotationnels les plus bas”, a expliqué le professeur Zwierlein, auteur principal de l’article rapportant les résultats dans la revue Physical Review Letters.
“Nous sommes très proches de la température à laquelle la mécanique quantique joue un grand rôle dans le mouvement des molécules”, a-t-il ajouté.
“Donc ces molécules ne courraient plus comme des boules de billard, mais se déplaceraient comme des ondes de matière de mécanique quantique. Et avec des molécules ultra-froides, on peut obtenir une énorme variété d’états de matière différents, comme les cristaux superfluides, qui sont cristallins, mais ne ressentent aucune friction, ce qui est totalement bizarre. Cela n’a pas été observé jusqu’à présent, mais prédit. Il se peut que nous ne soyons pas loin de voir ces effets, donc nous sommes tous excités.”
