À bord de la Station spatiale internationale depuis mai 2018, se trouve un mini-réfrigérateur de taille appelée Cold Atom Lab (CAL), capable de refroidir des atomes dans le vide jusqu'à des températures d'un dix milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. C'est, à toutes fins utiles, l'un des endroits les plus froids de l'univers connu. Et selon une nouvelle étude publiée dans Nature, les scientifiques viennent de l'utiliser pour créer un état de matière rare pour la première fois dans l'espace.

Les condensats de Bose-Einstein, parfois appelés le cinquième état de la matière, sont des nuages ​​gazeux d'atomes qui cessent de se comporter comme des atomes individuels et commencent à se comporter comme un collectif. Les BEC, comme on les appelle souvent, ont été prédits pour la première fois par Albert Einstein et Satyendra Nath Bose il y a plus de 95 ans, mais ils ont été observés pour la première fois en laboratoire par des scientifiques il y a seulement 25 ans.

L'idée générale lors de la fabrication d'un BEC est d'injecter des atomes (dans le cas du CAL, du rubidium et du potassium) dans une chambre ultra-froide pour les ralentir. Un piège magnétique est ensuite créé dans la chambre avec une bobine électrifiée, qui est utilisée avec des lasers et d'autres outils pour déplacer les atomes dans un nuage dense. À ce stade, les atomes «se brouillent en quelque sorte les uns dans les autres», explique David Aveline, physicien au Jet Propulsion Laboratory de la NASA et auteur principal de la nouvelle étude.

Pour exécuter des expériences à l'aide d'un BEC, vous devez baisser ou libérer le piège magnétique. Le nuage d'atomes surpeuplés se dilatera, ce qui est utile car les BEC doivent rester froids et les gaz ont tendance à se refroidir à mesure qu'ils se dilatent. Mais si les atomes d'un BEC sont trop éloignés, ils ne se comportent plus comme un condensat. C'est là que la microgravité de l'orbite terrestre basse entre en jeu. Si vous essayez d'augmenter le volume sur Terre, dit Aveline, la gravité attirera simplement les atomes au centre du nuage BEC jusqu'au fond du piège jusqu'à ce qu'ils se déversent, déformant le condensat ou le ruinant complètement. Mais en microgravité, les outils de la CAL peuvent maintenir les atomes ensemble même lorsque le volume du piège augmente. Cela donne un condensat à durée de vie plus longue, ce qui permet aux scientifiques de l'étudier plus longtemps qu'ils ne le pourraient sur Terre (cette démonstration initiale a duré 1,118 seconde, bien que l'objectif soit de pouvoir détecter le nuage pendant 10 secondes maximum).

David Aveline observe CAL dans les tests environnementaux au Jet Propulsion Lab de la NASA avant son lancement.

Bien qu'il ne s'agisse que d'une première étape, l'expérience CAL pourrait un jour permettre aux BEC de former la base d'instruments ultra-sensibles qui détectent les signaux faibles de certains des phénomènes les plus mystérieux de l'univers, comme les ondes gravitationnelles et l'énergie sombre. D'un point de vue plus pratique, Aveline pense que le travail de l'équipe pourrait ouvrir la voie à de meilleurs capteurs inertiels. «Les applications vont des accéléromètres et sismomètres aux gyroscopes», dit-il.

En attendant, les chercheurs peuvent jouer avec CAL, qu'Aveline décrit comme un système de «boutons à tourner», pour créer des conditions uniques pour expérimenter avec des atomes. L'équipe sait maintenant qu'elle peut créer des condensats de Bose-Einstein dans l'espace. L'étape suivante consiste à modifier les paramètres pour voir ce qui leur arrive lorsque les boutons sont tournés à 11, pour ainsi dire.

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