À bord de l’ISS fonctionne un laboratoire de la taille d’un mini-réfrigérateur, refroidi à moins de -273°C, qui crée un cinquième état de la matière impossible à étudier longuement sur Terre. La NASA vient d’annoncer la quatrième mise à jour de ce Cold Atom Lab, qui exploite la microgravité pour étudier les condensats de Bose-Einstein dans des conditions uniques au monde.

Ce que vous allez apprendre

• Ce qu’est un condensat de Bose-Einstein et pourquoi l’espace est indispensable pour l’étudier convenablement
• Quel processus en plusieurs étapes permet de refroidir des atomes presque jusqu’à l’arrêt complet
• Pourquoi la compréhension de ces états quantiques est cruciale pour les technologies de demain

Un cinquième état de la matière dans l’espace

La matière existe sous quatre états familiers : solide, liquide, gazeux et plasma. Mais en 1924, Albert Einstein prédit qu’à des températures proches du zéro absolu — à peine quelques milliardièmes de degré au-dessus de -273,15°C — des atomes séparés pourraient se condenser en une seule entité quantique décrite par des fonctions d’onde. Ce condensat de Bose-Einstein, développé à partir des formulations du physicien indien Satyendra Nath Bose, est resté théorique pendant plus de sept décennies.

Sa réalisation expérimentale n’a été accomplie qu’en 1995, valant à ses artisans le prix Nobel de physique 2001. Il s’avère que ces états sont directement liés à deux phénomènes critiques à basse température : la superfluidité, où un liquide se déplace sans aucun frottement, et la supraconductivité, où les électrons circulent sans résistance électrique.

Pourquoi l’espace change tout

Sur Terre, maintenir et observer ces états quantiques est difficile : la gravité perturbe les expériences et limite la durée d’observation des condensats. En orbite, la microgravité amplifie les fonctions d’onde créées par ces condensats et permet de les étudier pendant une période bien plus longue qu’en laboratoire terrestre.

C’est la raison d’être du Cold Atom Lab de la NASA, installé à bord de l’ISS : un appareil de la taille d’un mini-réfrigérateur fonctionnant à des températures inférieures à -273°C. La NASA vient d’annoncer sa quatrième mise à jour, renforçant encore les capacités de cet instrument unique.

Crédit : NIST/JILA/CU-Boulder via Wikimedia Commons

Distribution de vitesse des atomes de gaz rubidium. L’image au centre représente le condensat de Bose-Einstein.

Un processus minutieux pour atteindre le quasi-arrêt atomique

Chaque expérience commence par chauffer une bande de rubidium ou de potassium métallique à 400°C, remplissant une chambre à vide de gaz. Des lasers ciblent ensuite ce gaz, absorbant son énergie et ralentissant progressivement les atomes. Un piège magnétique maintient le gaz en suspension, avant les étapes finales d’abaissement thermique — ramenant les atomes à un état quasi stationnaire qui maximise la durée exploitable de l’expérience en microgravité.

À ce stade, la matière se comporte selon des règles qui n’ont aucun équivalent dans notre expérience quotidienne. Elle peut servir de base à des mesures extraordinairement précises du temps, de la gravité et du mouvement.

Une « révolution quantique 2.0 »

Selon Ethan Elliott, scientifique adjoint du projet au Jet Propulsion Laboratory de la NASA, le Cold Atom Lab représente ce qu’il appelle une « électronique quantique 2.0 » — la manipulation directe d’états quantiques complexes. La première révolution quantique du XXe siècle a produit les lasers, les téléphones portables et l’IRM médicale. L’enjeu de ces recherches en orbite est d’identifier les prochaines avancées technologiques issues de la maîtrise des matériaux superfluides et supraconducteurs.