Une nouvelle fenêtre d'observation des gaz quantiques
La matière se présente en général dans l'un des trois états classiques, solide, liquide ou gazeux. Un quatrième état, le plasma, n'est présent qu'en présence de hautes énergies, par exemple au cœur des étoiles. Un cinquième état, le condensat de Bose-Einstein, correspond au contraire à l'état d'énergie le plus bas possible, à des températures proches du zéro absolu. Tous les atomes ne donnent pas un condensat de Bose-Einstein lorsqu'ils sont refroidis à la température la plus basse possible, mais tous entrent au moins dans un régime quantique condensé dégénéré. Tous les atomes 'cherchent' à prendre le même état d'énergie, le plus bas. La dégénérescence quantique n'a été constatée que pour une poignée d'éléments, dont certains métaux alcalins et l'ytterbium. L'établissement de ces conditions ouvre une fenêtre sur des problèmes fondamentaux de la physique, du traitement des informations quantiques et de l'optique quantique. Les scientifiques du projet YTTERBIUMSPINLATTICE financé par l'UE ont mis au point des techniques importantes pour élargir la plage de phénomènes difficiles à étudier et accessibles avec des atomes ultra froids. Les chercheurs ont conçu un dispositif expérimental pour générer des potentiels optiques, et piéger et refroidir optiquement tout isotope stable de l'ytterbium, ce qui ouvre la voie à de nombreuses expériences impossibles avec des atomes de métaux alcalins. Ce dispositif permet d'exciter les atomes dans certains états de spin, et de contrôler et mesurer ces états. De nombreuses propriétés fondamentales de l'ytterbium n'étant pas encore bien caractérisées, les scientifiques ont donc commencé par en étudier quelques-unes. Leurs expériences sur un gaz quantique d'ytterbium ont conduit à la première observation directe de l'une de ses propriétés importantes (l'énergie d'interaction d'échange de spin). La valeur mesurée s'est avérée bien plus élevée qu'attendue, au point qu'il faut l'étudier davantage pour déterminer son impact sur les stratégies expérimentales. Le processus d'échange a été directement observé, ouvrant la voie à une simulation quantique expérimentale des modèles de matière condensée à partir des interactions orbitales. L'une de ces expériences faisait partie des objectifs initiaux du projet. Elles étaient impossibles avec des atomes ultra froids de métaux alcalins. Le projet YTTERBIUMSPINLATTICE a apporté aux chercheurs un nouvel outil, particulièrement puissant, pour étudier les gaz ultra froids. Il promet d'éclaircir certains des problèmes fondamentaux de la physique, et de faciliter la réalisation de nouveaux dispositifs quantiques.
Mots‑clés
Gaz quantiques, atomes ultra froids, dégénérescence quantique, ytterbium, potentiel optique, interaction échange de spin
