CONDENSAT BOSE-EINSTEIN: PROPRIÉTÉS ET APPLICATIONS - PHYSIQUE - 2024

Le condensat de Bose-Einstein est un état de la matière qui se produit dans certaines particules à des températures proches du zéro absolu. On a longtemps pensé que les trois seuls états d'agrégation possibles de la matière étaient le solide, le liquide et le gaz.

Puis le quatrième état a été découvert: celui du plasma; et le condensat de Bose-Einstein est considéré comme le cinquième état. La propriété caractéristique est que les particules dans le condensat se comportent comme un grand système quantique plutôt que comme elles le font habituellement (comme un ensemble de systèmes quantiques individuels ou comme un groupe d'atomes).

En d'autres termes, on peut dire que l'ensemble des atomes qui composent le condensat de Bose-Einstein se comporte comme s'il s'agissait d'un seul atome.

Origine

Comme beaucoup des découvertes scientifiques les plus récentes, l'existence du condensat a été théoriquement déduite avant qu'il n'y ait aucun enregistrement empirique de son existence.

Ainsi, ce sont Albert Einstein et Satyendra Nath Bose qui ont théoriquement prédit ce phénomène dans une publication conjointe dans les années 1920. Ils l'ont fait d'abord pour le cas des photons et ensuite pour le cas des atomes gazeux hypothétiques.

La démonstration de son existence réelle n'avait été possible qu'il y a quelques décennies, lorsqu'il était possible de refroidir un échantillon à des températures suffisamment basses pour vérifier que ce que les équations anticipaient était vrai.

Satyendra Nath Bose

Obtention

Le condensat de Bose-Einstein a été obtenu en 1995 par Eric Cornell, Carlo Wieman et Wolfgang Ketterle qui, grâce à lui, finiront par se partager le prix Nobel de physique 2001.

Pour atteindre le condensat de Bose-Einstein, ils ont eu recours à une série de techniques expérimentales de physique atomique, avec lesquelles ils ont réussi à atteindre une température de 0,00000002 degrés Kelvin au-dessus du zéro absolu (une température bien inférieure à la température la plus basse observée dans l'espace)..

Eric Cornell et Carlo Weiman ont utilisé ces techniques sur un gaz dilué composé d'atomes de rubidium; pour sa part, Wolfgang Ketterle les a appliqués peu après sur les atomes de sodium.

Bosons

Le nom de boson est utilisé en l'honneur du physicien d'origine indienne Satyendra Nath Bose. Deux types de base de particules élémentaires sont considérés en physique des particules: les bosons et les ferminions.

Ce qui détermine si une particule est un boson ou un fermion, c'est si son spin est entier ou demi entier. En définitive, les bosons sont les particules chargées de transmettre les forces d'interaction entre fermions.

Seules les particules bosoniques peuvent avoir cet état de condensat de Bose-Einstein: si les particules refroidies sont des fermions, ce qui est obtenu s'appelle un liquide de Fermi.

Il en est ainsi parce que les bosons, contrairement aux fermions, ne doivent pas respecter le principe d'exclusion de Pauli, qui stipule que deux particules identiques ne peuvent pas être dans le même état quantique en même temps.

Tous les atomes sont le même atome

Dans un condensat de Bose-Einstein, tous les atomes sont absolument identiques. De cette manière, la plupart des atomes du condensat sont au même niveau quantique, descendant au niveau d'énergie le plus bas possible.

En partageant ce même état quantique et ayant tous la même énergie (minimale), les atomes sont indiscernables et se comportent comme un seul «super atome».

Propriétés

Le fait que tous les atomes aient des propriétés identiques suppose une série de certaines propriétés théoriques: les atomes occupent le même volume, ils diffusent une lumière de même couleur et un milieu homogène se forme, entre autres caractéristiques.

Ces propriétés sont similaires à celles du laser idéal, qui émet une lumière cohérente (spatialement et temporellement), uniforme, monochromatique, dans laquelle toutes les ondes et photons sont absolument égaux et se déplacent dans la même direction, donc idéalement non se dissiper.

Applications

Les possibilités offertes par ce nouvel état de la matière sont nombreuses, certaines vraiment étonnantes. Parmi les applications actuelles ou en développement, les applications les plus intéressantes des condensats Bose-Einstein sont les suivantes:

- Son utilisation avec des lasers atomiques pour créer des nanostructures de haute précision.

- Détection de l'intensité du champ gravitationnel.

- Fabriquer des horloges atomiques plus précises et stables que celles qui existent actuellement.

- Simulations à petite échelle pour l'étude de certains phénomènes cosmologiques.

- Applications de la superfluidité et de la supraconductivité.

- Applications dérivées du phénomène connu sous le nom de lumière lente ou lumière lente; par exemple, dans la téléportation ou dans le domaine prometteur de l'informatique quantique.

- Approfondissement des connaissances en mécanique quantique, réalisation d'expériences plus complexes et non linéaires, ainsi que la vérification de certaines théories récemment formulées. Les condensats offrent la possibilité de recréer des phénomènes qui se produisent à des années-lumière dans les laboratoires.

Comme on peut le voir, les condensats de Bose-Einstein peuvent être utilisés non seulement pour développer de nouvelles techniques, mais aussi pour affiner certaines techniques qui existent déjà.

Ce n'est pas en vain qu'ils offrent une grande précision et fiabilité, ce qui est possible grâce à leur cohérence de phase dans le champ atomique, ce qui facilite une grande maîtrise du temps et des distances.

Par conséquent, les condensats de Bose-Einstein pourraient être aussi révolutionnaires que le laser lui-même l'était autrefois, car ils ont de nombreuses propriétés en commun. Cependant, le gros problème pour que cela se produise réside dans la température à laquelle ces condensats sont produits.

Ainsi, la difficulté réside à la fois dans la complexité de leur obtention et dans leur entretien coûteux. Pour toutes ces raisons, à l'heure actuelle, la plupart des efforts se concentrent principalement sur son application à la recherche fondamentale.

Condensats de Bose-Einstein et physique quantique

La démonstration de l'existence de condensats de Bose-Einstein a offert un nouvel outil important pour l'étude de nouveaux phénomènes physiques dans des domaines très divers.

Nul doute que sa cohérence au niveau macroscopique facilite à la fois l'étude et la compréhension et la démonstration des lois de la physique quantique.

Cependant, le fait que des températures proches du zéro absolu soient nécessaires pour atteindre cet état de la matière est un sérieux inconvénient pour tirer le meilleur parti de ses incroyables propriétés.

Références

1. Condensat de Bose - Einstein (nd). Sur Wikipedia. Récupéré le 6 avril 2018 sur es.wikipedia.org.
2. Bose - Einstein se condense. (nd) Dans Wikipedia. Récupéré le 6 avril 2018 sur en.wikipedia.org.
3. Eric Cornell et Carl Wieman (1998). Condensats de Bose-Einstein, «Recherche et science».
4. A. Cornell et CE Wieman (1998). "Le condensat de Bose - Einstein". Américain scientifique.
5. Boson (nd). Sur Wikipedia. Récupéré le 6 avril 2018 sur es.wikipedia.org.
6. Boson (nd). Sur Wikipedia. Récupéré le 6 avril 2018 sur en.wikipedia.org.