Une expérience quantique génère la température la plus froide jamais enregistrée

Des physiciens allemands ont obtenu la température la plus froide jamais enregistrée. L’étrange expérience a consisté à placer un gaz quantique en chute libre, puis à activer et désactiver un champ magnétique pour immobiliser presque complètement ses atomes.

38 billionièmes de degré au-dessus du zéro absolu

Fixé à -273,15 °C, le zéro absolu est la température la plus froide possible sur l’échelle thermodynamique, représentant le point où il n’y a aucun mouvement atomique ni aucune chaleur. Cependant, il est impossible pour les scientifiques d’atteindre ce point, car nous ne pouvons pas supprimer toute l’énergie cinétique des atomes d’un système.

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Il y a quelques années, une équipe de Harvard a décrit la réaction chimique la plus froide jamais obtenue (500 nanokelvins, soit 500 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu), tandis que des expériences réalisées à bord de la Station spatiale internationale ont permis d’atteindre la barre des 100 nanokelvins seulement.

Mais ces températures s’avèrent « douces » comparées à celles atteintes par des chercheurs de l’université de Brême. Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Physical Review Letters, ceux-ci ont en effet enregistré une température effective de seulement 38 picokelvins, soit 38 billionièmes de degré au-dessus du zéro absolu.

Si l’expérience n’a permis d’atteindre cette température que pendant deux secondes, des simulations ont montré qu’il devrait être possible de la maintenir jusqu’à 17 secondes dans un environnement en apesanteur (satellite).

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Un protocole expérimental complexe

Pour réaliser cette prouesse, les chercheurs ont utilisé un nuage de 100 000 atomes de rubidium piégés par un champ magnétique dans une chambre à vide. Celui-ci a ensuite été refroidi pour former un gaz quantique connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein (CBE), dans lequel ces particules commencent à se comporter essentiellement comme un seul et unique atome, rendant les effets quantiques étranges visibles à l’échelle macro.

Après avoir atteint une température deux milliardièmes de degré au-dessus du zéro absolu, l’équipe a laissé tomber le piège CBE depuis le haut de la Bremen Drop Tower. Durant cette chute libre de 120 mètres, l’équipe a éteint et rallumé à plusieurs reprises le champ magnétique emprisonnant le gaz.

Lorsque le champ magnétique était désactivé, le gaz commençait à se dilater, puis se contractait à nouveau lorsqu’il était rétabli. Une telle alternance a ralenti l’expansion du gaz jusqu’à son arrêt quasi total, permettant d’atteindre cette température record.

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