Un gaz quantique passe sous le zéro absolu
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La température d’un gaz peut atteindre le zéro absolu grâce à une bizarrerie de la physique quantique.
Cela peut sembler moins probable que l’enfer qui gèle, mais des physiciens ont créé pour la première fois un gaz atomique dont la température est inférieure au zéro absolu1. Leur technique ouvre la porte à la génération de matériaux à Kelvin négatif et de nouveaux dispositifs quantiques, et elle pourrait même aider à résoudre un mystère cosmologique.
Lord Kelvin a défini l’échelle de température absolue au milieu des années 1800 de manière à ce que rien ne puisse être plus froid que le zéro absolu. Les physiciens ont ensuite réalisé que la température absolue d’un gaz est liée à l’énergie moyenne de ses particules. Le zéro absolu correspond à l’état théorique dans lequel les particules n’ont aucune énergie, et des températures plus élevées correspondent à des énergies moyennes plus élevées.
Cependant, dans les années 1950, les physiciens travaillant avec des systèmes plus exotiques ont commencé à se rendre compte que ce n’est pas toujours vrai : techniquement, vous lisez la température d’un système à partir d’un graphique qui trace les probabilités de trouver ses particules avec certaines énergies. Normalement, la plupart des particules ont une énergie moyenne ou proche de la moyenne, seules quelques particules se déplaçant à des énergies plus élevées. En théorie, si la situation est inversée, avec plus de particules ayant des énergies plus élevées, plutôt que plus faibles, le graphique se retournerait et le signe de la température changerait d’une température absolue positive à une température absolue négative, explique Ulrich Schneider, physicien à l’Université Ludwig Maximilian de Munich, en Allemagne.
Pics et vallées
Schneider et ses collègues ont atteint de telles températures subabsolues-zéro avec un gaz quantique ultrafroid composé d’atomes de potassium. À l’aide de lasers et de champs magnétiques, ils ont maintenu les atomes individuels dans une disposition en réseau. À des températures positives, les atomes se repoussent, ce qui rend la configuration stable. L’équipe a ensuite rapidement ajusté les champs magnétiques pour que les atomes s’attirent au lieu de se repousser. « Cela fait soudainement passer les atomes de leur état le plus stable et le plus faible en énergie à l’état le plus élevé possible en énergie, avant qu’ils ne puissent réagir », explique Schneider. « C’est comme si l’on traversait une vallée, puis que l’on se retrouvait instantanément au sommet d’une montagne. »
À des températures positives, une telle inversion serait instable et les atomes s’effondreraient vers l’intérieur. Mais l’équipe a également ajusté le champ laser de piégeage pour qu’il soit plus favorable énergétiquement aux atomes de rester dans leur position. Ce résultat, décrit aujourd’hui dans Science1, marque la transition du gaz d’un niveau juste au-dessus du zéro absolu à quelques milliardièmes de kelvin en dessous du zéro absolu.
Wolfgang Ketterle, physicien et lauréat du prix Nobel au Massachusetts Institute of Technology à Cambridge, qui a déjà démontré des températures absolues négatives dans un système magnétique2, qualifie ces derniers travaux de « tour de force expérimental ». Les états exotiques à haute énergie qui sont difficiles à générer en laboratoire à des températures positives deviennent stables à des températures absolues négatives – « comme si vous pouviez mettre une pyramide sur sa tête sans craindre qu’elle ne se renverse », note-t-il – et ces techniques permettent donc d’étudier ces états en détail. « Cela pourrait être un moyen de créer de nouvelles formes de matière en laboratoire », ajoute Ketterle.
S’ils étaient construits, de tels systèmes se comporteraient de manière étrange, affirme Achim Rosch, physicien théoricien à l’université de Cologne en Allemagne, qui a proposé la technique utilisée par Schneider et son équipe3. Par exemple, Rosch et ses collègues ont calculé qu’alors que les nuages d’atomes seraient normalement tirés vers le bas par la gravité, si une partie du nuage est à une température absolue négative, certains atomes se déplaceront vers le haut, défiant apparemment la gravité4.
Une autre particularité du gaz sub-absolu-zéro est qu’il imite « l’énergie sombre », la force mystérieuse qui pousse l’Univers à s’étendre à un rythme toujours plus rapide contre l’attraction vers l’intérieur de la gravité. Schneider note que les atomes attractifs du gaz produit par l’équipe veulent également s’effondrer vers l’intérieur, mais ne le font pas car la température absolue négative les stabilise. « Il est intéressant que cette caractéristique bizarre apparaisse dans l’Univers et aussi dans le laboratoire », dit-il. « C’est peut-être quelque chose que les cosmologistes devraient examiner de plus près. »