À bord de la station spatiale Tiangong, des scientifiques chinois ont atteint une température record, approchant le zéro absolu de manière inédite. Cette prouesse, publiée dans Science, révèle des phénomènes quantiques grâce à la manipulation d’atomes de rubidium en microgravité.
Une équipe de scientifiques chinois est parvenue à refroidir des atomes de rubidium jusqu’à une température équivalente de 9,7 picokelvin à bord de la station spatiale Tiangong, s’approchant du zéro absolu comme jamais auparavant.
Le défi du zéro absolu
Le zéro absolu, correspondant à -273,15 °C, représente la limite théorique du froid dans l’univers, où toute agitation thermique de la matière cesse. L’atteindre exactement demeure impossible, mais les chercheurs s’efforcent de s’en rapprocher toujours plus. À ces températures extrêmement basses, des phénomènes quantiques normalement masqués par le mouvement thermique deviennent visibles.
Dans l’expérience menée sur la station spatiale chinoise, les scientifiques ont créé un nuage d’environ 20 000 atomes de rubidium dans un état nommé condensat de Bose-Einstein, où tous les atomes partagent le même état quantique.
La température cinétique équivalente obtenue est de 9,7 picokelvin, soit 9,7 billionièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu. Cette valeur constitue un nouveau record mondial, d’après une étude parue dans la revue Science.
Techniques de refroidissement en microgravité
Pour parvenir à ce résultat, l’équipe a combiné plusieurs techniques de refroidissement atomique. Dans un premier temps, les atomes ont été confinés dans un piège optique généré par des lasers et soumis à un refroidissement par évaporation, une méthode qui élimine les atomes les plus énergétiques pour abaisser la température moyenne.
Le piège a ensuite été affaibli progressivement, selon un processus en deux phases, aboutissant à une expansion non adiabatique qui a encore réduit l’énergie cinétique du nuage.
Le choix de l’espace s’est révélé déterminant. Sur Terre, la gravité empêche la création de pièges très faibles et restreint le temps d’observation après la libération des atomes.
Dans la microgravité de Tiangong, il a été possible de maintenir le nuage en expansion libre pendant sept secondes. Cette durée a permis de mesurer précisément sa vitesse de dispersion et, à partir de celle-ci, de calculer la température cinétique équivalente.
Le précédent record, établi à 38 picokelvin en 2021 par une équipe allemande dans une tour de chute libre, est désormais dépassé. La nouvelle valeur chinoise représente environ le quart de cette température, bien que les chercheurs signalent une incertitude de +3,2 et -2,7 picokelvin. La NASA mène également des expériences avec des condensats de Bose-Einstein sur la Station Spatiale Internationale, mais les techniques et les grandeurs mesurées varient selon les missions.
La production de températures aussi basses dans l’espace ouvre de nouvelles perspectives pour l’étude des gaz quantiques ultra-froids. Avec des durées d’observation prolongées, les scientifiques peuvent examiner les interactions entre particules et le comportement des systèmes quantiques avec une précision accrue.
Ces techniques pourraient aussi favoriser le développement d’interféromètres atomiques de haute précision et participer à la recherche de formes hypothétiques de matière noire.
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