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Une nouvelle façon de contrôler l’expansion de la matière dans un condensat de Bose-Einstein (BEC) en chute libre a produit la température effective la plus froide jamais mesurée : 38 pK (10-12 K) au-dessus du zéro absolu La méthode, qui a permis à des chercheurs allemands et français d’imager l’évolution du condensat pendant plus de deux secondes, ouvre la porte à des mesures améliorées de la constante gravitationnelle g et du recul des photons, et pourrait même offrir un moyen alternatif de détection des ondes gravitationnelles.

Les BEC sont des amas de particules dans le même état fondamental quantique Depuis leur création expérimentale en 1995, ils sont devenus un banc d’essai pour la recherche sur la nature quantique de la matière. Un exemple est l’interférométrie à ondes de matière, qui est un type d’interféromètre qui utilise le caractère ondulatoire des atomes Lorsque cela est fait avec des BEC en chute libre, le modèle d’interférence résultant dépendra en partie des effets gravitationnels, ce qui rend ces expériences sensibles aux tests des processus physiques fondamentaux. Cependant, lorsqu’un BEC est libéré du piège magnétique dans lequel il est créé, les interactions répulsives entre ses particules constituantes sont rapidement converties en énergie cinétique. Cela provoque l’expansion du BEC jusqu’à ce qu’il devienne trop dilué pour être détecté via une imagerie d’absorption standard, dans laquelle un faisceau laser est envoyé à travers le condensat et une caméra mesure la quantité de lumière absorbée par les particules.

Comme la résolution de l’interféromètre augmente avec le carré du temps de chute libre, il est crucial de limiter la dilatation du condensat Pour ce faire, les physiciens utilisent des forces magnétiques, optiques ou électrostatiques pour focaliser le condensat, de la même manière que les lentilles focalisent la lumière. Ces méthodes de lentilles dites à ondes de matière peuvent refroidir la température effective du BEC jusqu’à 50 pK Cependant, ils n’affectent la température que le long des rayons du condensat, pas dans la direction axiale de sa chute Par conséquent, même avec une lentille à ondes de matière, un BEC en chute libre augmente toujours rapidement

La nouvelle méthode, décrite dans Physical Review Letters, comble cette lacune en modifiant le champ magnétique utilisé pour piéger le condensat de manière à faire osciller sa forme, le transformant d’une boule en une fine ellipse Le condensat entre alors en chute libre lorsque sa dimension axiale atteint son point le plus mince, ce qui maintient son taux de dilatation axiale aussi bas que possible La lentille magnétique contrôle davantage l’expansion du condensat dans les directions radiales

Pour tester leur technique, des chercheurs dirigés par Ernst Rasel de l’université Leibniz de Hanovre ont utilisé la tour de chute de 110 mètres à Brême, en Allemagne L’équipe a commencé par créer un BEC à partir d’un nuage d’environ 100 000 atomes de rubidium Ces atomes ont ensuite subi un 4Chute libre de 74 secondes, au cours de laquelle des images d’absorption ont été prises à divers points Lorsque l’équipe a photographié son BEC en chute libre sans aucune technique de lentille d’onde de matière, elle a découvert que le condensat se dégradait dans les 160 ms suivant sa libération. En appliquant leur technique, ils ont atteint une température effective record de 38 pK et ont imagé le BEC pendant plus de 2 secondes “Nos méthodes permettent de nouvelles expériences ou améliorent considérablement celles existantes”, explique Ernst Rasel, qui a dirigé la recherche à IQO

L’équipe affirme que des configurations de lentilles magnétiques plus complexes pourraient réduire certaines limitations de la configuration actuelle, ce qui permettrait un contrôle encore plus strict sur l’expansion du BEC La réduction du nombre d’atomes à l’intérieur du BEC pourrait également réduire le taux d’expansion, réduisant la température effective à 14 pK. Cependant, cela pourrait également réduire le temps total d’imagerie car un BEC plus petit deviendrait plus rapidement trop dilué pour imager

Florian Schreck, physicien à l’Université d’Amsterdam aux Pays-Bas qui n’a pas participé à la recherche, appelle la nouvelle technique “une étape importante pour l’interférométrie atomique avec les BEC dans des situations qui permettent un long temps de chute libre (eg dans l’espace ou dans une tour de chute) » Par rapport aux méthodes précédentes, Schreck note que la technique de l’équipe IQO réduit l’énergie cinétique interne du gaz dans les trois dimensions, et sa simplicité signifie qu’elle devrait trouver une large adoption dans l’interférométrie d’atomes de rubidium BEC Traduire un tel schéma en strontium serait, ajoute-t-il, “particulièrement intéressant”, car le strontium est l’espèce de choix pour les projets d’utilisation d’interféromètres atomiques pour détecter l’espace des ondes gravitationnelles.

À moyen terme, Rasel et ses collègues prévoient de démontrer des temps d’interférométrie encore plus longs en utilisant le système de catapulte de la tour de chute de Brême, après que des simulations aient montré que le temps total d’imagerie avec leur technique pourrait être supérieur à 17 secondes À l’avenir, ils espèrent également utiliser leur méthode dans le laboratoire Bose-Einstein Condensat and Cold Atom (BECCAL), une installation spatiale prévue

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Actualités – FR – Les condensats de Bose-Einstein atteignent une température record – Physics World
Titre associé :
Les condensats de Bose-Einstein atteignent un niveau record température – Monde de la physique
Les physiciens ont refroidi les atomes à la température la plus basse du monde
L’expérience de gaz quantique crée la température la plus froide de tous les temps
L’expérience de chute libre de gaz quantique crée la température la plus froide jamais enregistrée

Source: https://physicsworld.com/a/bose-einstein-condensates-hit-record-low-temperature/

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