Produites à l’intérieur du Cold Atom Lab de la NASA, les bulles ultra-froides offrent de nouvelles possibilités d’expérimenter un état exotique de la matière.
Depuis l’époque du programme Apollo de la NASA, les astronautes ont documenté (et combattu) la façon dont les liquides se comportent différemment en microgravité que sur Terre – se coalescent en sphères flottantes au lieu de gouttelettes lourdes au fond. Maintenant, les chercheurs ont démontré cet effet avec un matériau beaucoup plus exotique : un gaz refroidi presque à zéro absolu (moins 459 degrés Fahrenheit, ou moins 273 degrés Celsius), la température la plus basse que la matière puisse atteindre.
À l’aide du Cold Atom Lab de la NASA, la toute première installation de physique quantique à bord de la Station spatiale internationale, les chercheurs ont prélevé des échantillons d’atomes refroidis à moins d’un millionième de degré au-dessus du zéro absolu et les ont façonnés en sphères extrêmement fines et creuses. Le gaz froid commence dans une petite goutte ronde, comme un jaune d’œuf, et est sculpté en quelque chose qui ressemble plus à une fine coquille d’œuf. Sur Terre, des tentatives similaires échouent : les atomes se regroupent vers le bas, formant quelque chose de plus proche d’une lentille de contact que d’une bulle.
Le jalon – décrit dans un nouvel article publié en ligne le mercredi 18 mai dans la revue Nature— n’est possible que dans l’environnement de microgravité de la station spatiale.
Les bulles ultrafroides pourraient éventuellement être utilisées dans de nouveaux types d’expériences avec un matériau encore plus exotique : un cinquième état de la matière (distinct des gaz, des liquides, des solides et des plasmas) appelé condensat de Bose-Einstein (BEC). Dans un BEC, les scientifiques peuvent observer les propriétés quantiques des atomes à une échelle visible à l’œil nu. Par exemple, les atomes et les particules se comportent parfois comme des objets solides et parfois comme des ondes – une propriété quantique appelée « dualité onde-particule ».
Le travail ne nécessite aucune aide d’astronaute. Les bulles ultra-froides sont fabriquées à l’intérieur de la chambre à vide hermétiquement fermée de Cold Atom Lab à l’aide de champs magnétiques pour manipuler doucement le gaz en différentes formes. Et le laboratoire lui-même, qui a à peu près la taille d’un mini-réfrigérateur, est exploité à distance depuis le JPL.
Les plus grosses bulles mesurent environ 1 millimètre de diamètre et 1 micron d’épaisseur (c’est-à-dire un millième de millimètre ou 0,00004 pouce). Ils sont si minces et dilués que seuls des milliers d’atomes les composent. En comparaison, un millimètre cube d’air sur Terre contient environ un milliard de milliards de molécules.
Des nuages d’atomes ultrafroids sont manipulés dans des sphères creuses à l’intérieur du Cold Atom Lab de la NASA à bord de la Station spatiale internationale. Dans cette série d’images, les nuages sont vus à différents stades de l’inflation, capturant l’apparence d’un seul nuage d’atomes lorsqu’il est manipulé dans une bulle. Crédit : NASA/JPL-Caltech
« Ce ne sont pas comme vos bulles de savon moyennes », a déclaré David Aveline, auteur principal du nouveau travail et membre de l’équipe scientifique du Cold Atom Lab au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. « Rien de ce que nous connaissons dans la nature ne devient aussi froid que les gaz atomiques produits dans Cold Atom Lab. Nous commençons donc avec ce gaz tout à fait unique et étudions comment il se comporte lorsqu’il est façonné dans des géométries fondamentalement différentes. Et, historiquement, lorsqu’un matériau est manipulé de cette façon, une physique très intéressante peut émerger, ainsi que de nouvelles applications. »
Pourquoi est-ce important’
L’exposition des matériaux à différentes conditions physiques est essentielle pour les comprendre. C’est aussi souvent la première étape pour trouver des applications pratiques pour ces matériaux.
Mener ces types d’expériences sur la station spatiale à l’aide du Cold Atom Lab permet aux scientifiques de supprimer les effets de la gravité, qui est souvent la force dominante ayant un impact sur le mouvement et le comportement des fluides. Ce faisant, les scientifiques peuvent mieux comprendre les autres facteurs en jeu, tels que la tension superficielle ou la viscosité d’un liquide.
Maintenant que les scientifiques ont créé les bulles ultra-froides, leur prochaine étape consistera à faire passer le gaz ultra-froid composant les bulles à l’état BEC et à voir comment il se comporte.
« Certains travaux théoriques suggèrent que si nous travaillons avec l’une de ces bulles qui est dans l’état BEC, nous pourrions être en mesure de former des vortex – en gros, de petits tourbillons – dans le matériau quantique », a déclaré Nathan Lundblad, professeur de physique à Bates. College de Lewiston, dans le Maine, et chercheur principal de la nouvelle étude. « C’est un exemple de configuration physique qui pourrait nous aider à mieux comprendre les propriétés du BEC et à mieux comprendre la nature de la matière quantique. »
Le domaine de la science quantique a conduit au développement de technologies modernes telles que les transistors et les lasers. Les investigations quantiques effectuées en orbite terrestre pourraient conduire à des améliorations des systèmes de navigation des engins spatiaux et des capteurs pour étudier la Terre et d’autres corps du système solaire. Les installations d’atomes ultra-froids fonctionnent sur Terre depuis des décennies; cependant, dans l’espace, les chercheurs peuvent étudier les atomes ultra-froids et les BEC de nouvelles manières car les effets de la gravité sont réduits. Cela permet aux chercheurs d’atteindre régulièrement des températures plus froides et d’observer des phénomènes plus longtemps qu’ils ne le peuvent sur Terre.
« Notre objectif principal avec Cold Atom Lab est la recherche fondamentale – nous voulons utiliser l’environnement spatial unique de la station spatiale pour explorer la nature quantique de la matière », a déclaré Jason Williams, scientifique du projet Cold Atom Lab au JPL. « L’étude des atomes ultrafroids dans de nouvelles géométries en est un parfait exemple. »
RA Carollo et al, Observation de bulles atomiques ultrafroides en microgravité orbitale, Nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04639-8