Laboratoire Kastler Brossel

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Condensation de Bose-Einstein en microgravité

Dans un condensat de Bose-Einstein (CBE), des milliers d’atomes se mettent dans le même état quantique, qui devient alors une onde de matière cohérente macroscopique. Ainsi, la réalisation expérimentale des CBE d’atomes neutres en 1995, couronnée par le prix Nobel de 2001, marque le début de l’époque des "lasers à atomes". Si l’analogie avec les lasers optiques laisse penser qu’il y aura des applications, les dispositifs de CBE utilisés jusqu’à présent sont bien trop encombrants et trop fragiles pour envisager leur usage en dehors de l’environnement protégé d’un laboratoire. C’est pourquoi, en 2003, des jeunes chercheurs allemands décidèrent de collaborer pour construire un laser à atomes qui serait un véritable instrument de mesure : compact, robuste et pouvant être embarqué. Leur objectif était ambitieux : réaliser un CBE en chute libre, dans une tour de chute haute de 146 m. Pour y parvenir, il fallait miniaturiser et « fiabiliser » tous les composants, y compris son « cœur », qui est un piège magnétique contenant les atomes condensés.

C’est grâce à une « puce à atomes » développée dans l’équipe de Jakob Reichel, aujourd’hui professeur à l’UPMC et membre du Laboratoire Kastler Brossel, qu’on parvint à miniaturiser ce piège. Une fois piégés sur cette puce, les atomes sont refroidis jusqu’à la condensation en moins d’une seconde, pendant que le dispositif entier se trouve en chute libre dans la tour.

En coupant ensuite le piège, les chercheurs ont pu observer l’expansion libre de l’onde de matière pendant plus d’une seconde, chose impossible en gravité normale où les atomes s’enfonceraient dans la paroi de l’enceinte bien avant ce temps-là. Ce progrès technologique impressionnant montre que les lasers à atomes sont maintenant prêts à servir comme de véritables instruments de mesure. Les chercheurs espèrent aussi se servir de ce nouvel outil pour tester le principe d’équivalence, pilier de la théorie de relativité, avec l’objet quantique qu’est le CBE.