Des scientifiques créent un moteur quantique à base d’atomes ultra-froids

Des chercheurs allemands ont mis au point un moteur quantique alimenté par un changement constant de la nature fondamentale des particules qui le composent. Selon l’équipe, de tels dispositifs pourraient un jour être utilisés pour alimenter d’autres technologies quantiques.

Un moteur à base d’atomes de lithium

Toutes les particules connues peuvent être classifiées comme fermions ou bosons, leur appartenance à l’une ou l’autre de ces catégories déterminant leur comportement au sein de vastes groupes. Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, Artur Widera, de l’université de Kaiserslautern-Landau, et ses collègues ont découvert comment créer un moteur à partir d’un nuage d’atomes, en les forçant à se comporter successivement comme des bosons, des fermions, puis à nouveau des bosons.

La différence entre ces deux types de particules s’avérant marquée dans le domaine quantique, en particulier à des températures extrêmement basses, l’équipe a créé son moteur à partir de quelques centaines de milliers d’atomes de lithium refroidis une fraction de degré au-dessus du zéro absolu.

Des champs magnétiques soigneusement calibrés ont ensuite été utilisés pour que les atomes de lithium se comportent soit comme un groupe de fermions, soit comme un groupe de bosons après les avoir forcés à former des paires de molécules.

Toggle the properties of an ultracold atom cloud and you can create a quantum engine – the device, the first of its kind, could eventually lead to new ways to charge quantum batteries. https://t.co/S4KEeF3hGI
— New Scientist (@newscientist) September 29, 2023

« Nous sommes partis d’une collection d’atomes appariés comme des bosons, que nous avons comprimés afin de les transformer en fermions, ce qui a augmenté leur niveau d’énergie global », détaille Widera. « Une fois ces derniers dilatés, nous avons modifié les champs magnétiques pour reformer les paires d’atomes et les ramener à l’état de boson, ce qui a eu pour effet de réduire l’énergie collective du système. »

Une rendement actuel de 25 % mais une large marge d’amélioration

Impliquant la compression d’un gaz de bosons et la dilatation d’un gaz de fermions, le cycle de leur dispositif quantique rappelle celui d’un moteur conventionnel, au sein duquel le combustible est comprimé et dilaté pour produire un travail mécanique.

Si la version actuelle de leur moteur à atomes ultra-froids affiche un rendement d’environ 25 %, les auteurs de l’étude estiment qu’il pourrait être facilement amélioré. « Nous ne souhaitions par créer un moteur capable d’alimenter la prochaine Mercedes Benz, mais démontrer qu’il était possible de le faire avec une forme d’énergie purement quantique », explique Widera.

Selon Gabriele De Chiara, de l’université Queen’s de Belfast, ce type de moteur pourrait potentiellement être utilisé pour recharger d’autres dispositifs, tels que des batteries quantiques, ou refroidir les ordinateurs quantiques, connus pour générer davantage d’erreurs lorsqu’ils chauffent.

Par Yann Contegat, le 3 octobre 2023