Atome ultra-froid - Ultracold atom

Les atomes ultra-froids sont des atomes qui sont maintenus à des températures proches de 0 kelvin ( zéro absolu ), généralement en dessous de plusieurs dizaines de microkelvin (µK). À ces températures, les propriétés mécaniques quantiques de l'atome deviennent importantes.

Pour atteindre des températures aussi basses, une combinaison de plusieurs techniques doit généralement être utilisée. Premièrement, les atomes sont généralement piégés et pré-refroidis par refroidissement laser dans un piège magnéto-optique . Pour atteindre la température la plus basse possible, un refroidissement supplémentaire est effectué en utilisant un refroidissement par évaporation dans un piège magnétique ou optique . Plusieurs prix Nobel de physique sont liés au développement des techniques de manipulation des propriétés quantiques d'atomes individuels (par exemple 1995-1997, 2001, 2005, 2012, 2017).

Des expériences avec des atomes ultra-froids étudient une variété de phénomènes, y compris les transitions de phase quantiques, la condensation de Bose-Einstein (BEC) , la superfluidité bosonique, le magnétisme quantique , la dynamique de spin à plusieurs corps, les états d'Efimov , la superfluidité de Bardeen – Cooper – Schrieffer (BCS) et le BEC - Crossover BCS . Certaines de ces directions de recherche utilisent des systèmes d'atomes ultra-froids comme simulateurs quantiques pour étudier la physique d'autres systèmes, y compris le gaz de Fermi unitaire et les modèles d' Ising et Hubbard . Les atomes ultra-froids pourraient également être utilisés pour la réalisation d'ordinateurs quantiques.

Histoire

Des échantillons d'atomes ultra froids sont généralement préparés par les interactions d'un gaz dilué avec un champ laser. La preuve de la pression de rayonnement, la force due à la lumière sur les atomes, a été démontrée indépendamment par Lebedev et Nichols et Hull en 1901. En 1933, Otto Frisch a démontré la déviation de particules de sodium individuelles par la lumière générée par une lampe à sodium.

L'invention du laser a stimulé le développement de techniques supplémentaires pour manipuler les atomes avec la lumière. L'utilisation de la lumière laser pour refroidir les atomes a été proposée pour la première fois en 1975 en tirant parti de l'effet Doppler pour rendre la force de rayonnement sur un atome dépendante de sa vitesse, une technique connue sous le nom de refroidissement Doppler . Des idées similaires ont également été proposées pour refroidir des échantillons d'ions piégés. L'application d'un refroidissement Doppler en trois dimensions ralentira les atomes à des vitesses qui sont généralement de quelques cm / s et produira ce que l'on appelle une mélasse optique .

Typiquement, la source d'atomes neutres pour ces expériences était des fours thermiques qui produisaient des atomes à des températures de quelques centaines de kelvins. Les atomes de ces sources de four se déplacent à des centaines de mètres par seconde. L'un des défis techniques majeurs du refroidissement Doppler était d'augmenter la durée pendant laquelle un atome peut interagir avec la lumière laser. Ce défi a été surmonté par l'introduction d'un Zeeman Slower . Un Zeeman Slower utilise un champ magnétique spatialement variable pour maintenir l'espacement énergétique relatif des transitions atomiques impliquées dans le refroidissement Doppler. Cela augmente le temps que l'atome passe à interagir avec la lumière laser.

Le développement du premier piège magnéto-optique (MOT) par Raab et al. en 1987 a été une étape importante vers la création d'échantillons d'atomes ultra-froids. Les températures typiques atteintes avec un MOT sont des dizaines à des centaines de microkelvins. En substance, un piège magnéto-optique confine les atomes dans l'espace en appliquant un champ magnétique de sorte que les lasers fournissent non seulement une force dépendante de la vitesse, mais également une force variant dans l'espace. Le prix Nobel de physique 1997 a été décerné pour le développement de méthodes pour refroidir et piéger les atomes avec la lumière laser et a été partagé par Steven Chu , Claude Cohen-Tannoudji et William D. Phillips .

Le refroidissement par évaporation a été utilisé dans des efforts expérimentaux pour atteindre des températures plus basses dans le but de découvrir un nouvel état de la matière prédit par Satyendra Nath Bose et Albert Einstein connu sous le nom de condensat de Bose-Einstein (BEC). Lors du refroidissement par évaporation, les atomes les plus chauds d'un échantillon peuvent s'échapper, ce qui réduit la température moyenne de l'échantillon. Le prix Nobel en 2001 a été décerné à Eric A. Cornell , Wolfgang Ketterle et Carl E. Wieman pour la réalisation du condensat de Bose-Einstein dans les gaz dilués des atomes alcalins et pour les premières études fondamentales des propriétés des condensats.

Applications

Les atomes ultra-froids ont une variété d'applications en raison de leurs propriétés quantiques uniques et du grand contrôle expérimental disponible dans de tels systèmes. Par exemple, des atomes ultra-froids ont été proposés comme plate-forme de calcul quantique et de simulation quantique, accompagnés de recherches expérimentales très actives pour atteindre ces objectifs.

La simulation quantique est d'un grand intérêt dans le contexte de la physique de la matière condensée, où elle peut fournir des informations précieuses sur les propriétés des systèmes quantiques en interaction. Les atomes ultra-froids sont utilisés pour mettre en œuvre un analogue du système de matière condensée d'intérêt, qui peut ensuite être exploré à l'aide des outils disponibles dans la mise en œuvre particulière. Étant donné que ces outils peuvent différer considérablement de ceux disponibles dans le système de matière condensée réel, on peut ainsi sonder expérimentalement des quantités autrement inaccessibles. De plus, les atomes ultrafroids peuvent même permettre de créer des états exotiques de la matière, qui ne peuvent autrement être observés dans la nature.

Les atomes ultra-froids sont également utilisés dans des expériences pour des mesures de précision permises par le faible bruit thermique et, dans certains cas, en exploitant la mécanique quantique pour dépasser la limite quantique standard. En plus des applications techniques potentielles, ces mesures de précision peuvent servir de tests de notre compréhension actuelle de la physique.

Voir également

Les références

Sources