Un laser à atome circulant de haut en bas crée une «caustique», un motif réfracté comme celui souvent créé par la lumière, lorsqu’il rencontre un obstacle. Crédit : Université d’État de Washington
Refroidi à presque zéro absolu, les atomes se déplacent non seulement en vagues comme la lumière, mais peuvent également être concentrés dans des formes appelées caustiques, similaires aux motifs réfléchissants ou réfractants que la lumière crée au fond d’une piscine ou à travers un verre à vin incurvé.
Dans des expériences à l’Université d’État de Washington, des scientifiques ont développé une technique pour voir ces caustiques d’ondes de matière en plaçant des obstacles attractifs ou répulsifs sur le chemin d’un froid atome laser. Les résultats sont des cuspides ou des plis incurvés, des formes en « V » vers le haut ou vers le bas, que les chercheurs décrivent dans un article pour Communication Nature.
Bien qu’il s’agisse de recherches fondamentales, ces caustiques ont des applications potentielles pour des dispositifs de mesure ou de synchronisation très précis tels que les interféromètres et les horloges atomiques.
“C’est une belle démonstration de la façon dont nous pouvons manipuler les ondes de matière d’une manière très similaire à la façon dont on manipulerait la lumière”, a déclaré Peter Engels, professeur distingué de WSU Yount et auteur principal de l’article. « Un atome est accéléré par la gravité, nous pouvons donc imiter des effets qui seraient très difficiles à voir avec la lumière. De plus, étant donné que les atomes répondent à de nombreuses choses différentes, nous pouvons potentiellement exploiter cela pour de nouveaux types de capteurs particulièrement efficaces pour détecter les champs magnétiques, les gradients de champs électriques ou la gravité.
Pour obtenir ces effets, les scientifiques ont d’abord dû créer l’un des endroits les plus froids de la Terre, ce qu’ils ont pu accomplir dans le laboratoire de physique quantique fondamentale de WSU. Engels et ses collègues ont utilisé des lasers optiques pour extraire de l’énergie d’un nuage atomique piégé à l’intérieur d’une chambre à vide, le refroidissant très près du zéro absolu (-273,15 degrés Celsius ou -459,67 degrés Fahrenheit).
Ce froid extrême fait que les atomes se comportent de manière quantique de manière très différente des lois familières de la nature. Dans ces conditions, jeAu lieu de se comporter comme des particules de matière, les atomes se déplacent comme des vagues. Les nuages formés de tels atomes sont connus sous le nom de condensats de Bose-Einstein, du nom des théoriciens dont les premiers travaux ont prédit cet état de la matière, Albert Einstein et Satyendra Nath Bose.
En explorant ces condensats, les chercheurs de WSU ont créé un laser à atomes froids, ce qui signifie que les atomes ondulatoires ont commencé à s’aligner dans une colonne et à se déplacer ensemble.
“Un laser lumineux est un flux cohérent et collimaté de photons, et nous le faisons essentiellement avec des atomes”, a déclaré Maren Mossman, la première auteure de l’article qui a travaillé sur le projet en tant que stagiaire postdoctorale de la WSU et est maintenant la Clare Boothe. Luce professeur adjoint de physique à l’Université de San Diego. « Les atomes marchent en quelque sorte ensemble et se comportent comme un seul objet. Alors, nous avons décidé de voir ce qui se passerait si nous poussions cela. »
Pour cette étude, les chercheurs « fourré » au laser d’atomes en plaçant des obstacles sur son chemin optique, essentiellement brillant longueurs d’onde spécifiques de la lumière laser sur le courant d’accélération d’atomes. Un type d’obstacle a repoussé les atomes et fait des caustiques en formes de plis descendants ; un autre les a attirés en faisant des caustiques en forme de cuspide ascendante.
Le système est également très ajustable, ont déclaré les chercheurs, ce qui signifie qu’ils peuvent modifier la vitesse d’accélération des atomes.
“Les caustiques dans les lasers à atomes n’ont jamais vraiment été étudiées avec cette flexibilité”, a déclaré Engels.
Référence : « Gravitational caustics in an atom laser » 10 décembre 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-27555-3
En plus d’Engels et Mossman, les co-auteurs incluent Michael Forbes, professeur agrégé de la WSU au Département de physique et d’astronomie et Thomas Bersano, ancien boursier postdoctoral de la WSU maintenant au Laboratoire national de Los Alamos.
Cette étude a été financée par des subventions de la National Science Foundation.
