Le condensat de Bose Einstein (CBE) est un état d'agrégation de matière, tout comme les états habituels: gazeux, liquide et solide, mais qui se déroule à des températures extrêmement basses, très proches du zéro absolu.
Il se compose de particules appelées bosons, qui à ces températures sont situées dans l'état quantique d'énergie la plus basse, appelé état fondamental. Albert Einstein a prédit cette circonstance en 1924, après avoir lu les articles qui lui ont été envoyés par le physicien hindou Satyendra Bose sur les statistiques des photons..
Il n'est pas facile d'obtenir les températures nécessaires en laboratoire pour la formation du condensat de Bose-Einstein, il a donc fallu attendre 1995 pour disposer de la technologie nécessaire.
Cette année-là, les physiciens nord-américains Eric Cornell et Carl Wieman (Université du Colorado) et plus tard le physicien allemand Wolfgang Ketterle (MIT), ont réussi à observer les premiers condensats de Bose-Einstein. Les scientifiques du Colorado ont utilisé du rubidium-87, tandis que Ketterle l'a fait à travers un gaz hautement dilué d'atomes de sodium..
Grâce à ces expériences, qui ont ouvert les portes de nouveaux champs de recherche dans la nature de la matière, Ketterle, Cornell et Wieman ont reçu le prix Nobel en 2001..
Et c'est que les températures très basses permettent aux atomes d'un gaz présentant certaines caractéristiques de former un état si ordonné qu'ils parviennent tous à acquérir la même énergie et la même quantité de mouvement réduites, ce qui ne se produit pas dans la matière ordinaire..
Regardons les principales caractéristiques du condensat de Bose-Einstein:
Lorsque vous avez un gaz enfermé dans un conteneur, les particules qui le composent se tiennent normalement à une distance suffisante les unes des autres, interagissant très peu, sauf pour des collisions occasionnelles entre elles et avec les parois du conteneur. De là dérive le modèle bien connu des gaz parfaits.
Cependant, les particules sont en agitation thermique permanente, et la température est le paramètre décisif qui définit la vitesse: plus la température est élevée, plus elles se déplacent rapidement..
Et si la vitesse de chaque particule peut varier, la vitesse moyenne du système reste constante à une température donnée..
Le fait important suivant est que la matière est composée de deux types de particules: les fermions et les bosons, différenciés par le spin (moment angulaire intrinsèque), une qualité entièrement quantique..
L'électron, par exemple, est un fermion à spin semi-entier, tandis que les bosons ont un spin entier, ce qui rend leur comportement statistique différent..
Les fermions aiment être différentes et c'est pourquoi elles obéissent au principe d'exclusion de Pauli, selon lequel il ne peut y avoir deux fermions dans l'atome avec le même état quantique. Pour cette raison, les électrons sont situés dans des orbitales atomiques différentes et n'occupent donc pas le même état quantique.
En revanche, les bosons n'adhèrent pas au principe d'exclusion, ils n'ont donc aucun problème à occuper le même état quantique.
Un autre élément clé pour comprendre le CBE est la double nature de la matière: onde et particule en même temps..
Les fermions et les bosons peuvent être décrits comme une onde avec une certaine extension dans l'espace. Longueur d'onde λ de cette vague est liée à sa élan ou élan p, à travers l'équation de De Broglie:
Où h est la constante de Planck, dont la valeur est 6,62607015 × 10-3. 4 J.s.
À des températures élevées, l'agitation thermique prédomine, ce qui signifie que l'élan p est grande et la longueur d'onde λ est petite. Les atomes montrent ainsi leurs propriétés en tant que particules.
Mais lorsque la température baisse, l'agitation thermique diminue et avec elle l'élan, ce qui fait augmenter la longueur d'onde et les caractéristiques de l'onde prévalent. Ainsi, les particules ne sont plus localisées, car les ondes respectives augmentent en taille et se chevauchent..
Il y a une certaine température critique en dessous de laquelle les bosons se retrouvent dans l'état fondamental, qui est l'état avec l'énergie la plus basse (ce n'est pas 0). C'est à ce moment que la condensation se produit.
Le résultat est que les atomes bosoniques ne se distinguent plus et le système devient une sorte de super atome, décrit par une seule fonction d'onde. Cela équivaut à le regarder à travers une puissante loupe avec laquelle ses détails peuvent être appréciés.
La difficulté de l'expérience réside dans le maintien du système à des températures suffisamment basses pour que la longueur d'onde de de Broglie reste élevée..
Les scientifiques du Colorado y sont parvenus en utilisant un système de refroidissement laser, qui consiste à frapper de front l'échantillon d'atomes avec six faisceaux de lumière laser pour les ralentir brusquement et ainsi diminuer drastiquement leur agitation thermique..
Ensuite, les atomes les plus froids et les plus lents ont été piégés par un champ magnétique, laissant les plus rapides s'échapper pour refroidir davantage le système..
Les atomes ainsi confinés ont réussi à former, pendant de brefs instants, une minuscule goutte de CBE, qui a duré assez longtemps pour être enregistrée dans une image..
Les applications CBE sont actuellement en plein développement et il faudra encore un certain temps avant qu'elles ne se matérialisent..
Le maintien de la cohérence dans les ordinateurs quantiques n'est pas une tâche facile, c'est pourquoi les CBE ont été proposés comme moyen de maintenir l'échange d'informations entre les ordinateurs quantiques individuels..
La vitesse de la lumière dans le vide est une constante de la nature, bien que sa valeur dans d'autres milieux, comme l'eau, puisse être différente.
Grâce aux CBE, il est possible de réduire considérablement la vitesse de la lumière, jusqu'à 17 m / s, selon certaines expériences. C'est quelque chose qui nous permettra non seulement d'approfondir encore l'étude de la nature de la lumière, mais aussi son utilisation en informatique quantique pour stocker des informations..
Les atomes froids permettent la création d'horloges atomiques très précises, qui subissent des retards minimes sur de longues périodes de l'ordre de millions d'années, qualités très utiles lors de la synchronisation des systèmes GPS..
Les forces atomiques générées dans le condensat peuvent aider à simuler les conditions dans lesquelles les processus physiques se produisent dans certains objets notables de l'univers, tels que les étoiles à neutrons et les trous noirs..
Personne n'a encore commenté ce post.