Une équipe de physiciens de l’Université d’Amsterdam a réussi pour la première fois à créer des ondes de matière continues dans un condensat de Bose-Einstein. Ceci permettrait à un laser à atomes de rester allumé indéfiniment. Cette avancée pourrait être exploitée dans de nombreuses applications de détection quantique.
Les lasers produisent des ondes lumineuses spatialement et temporellement cohérentes, ce qui signifie qu’elles se propagent en parfaite synchronisation. Selon la dualité onde-corpuscule à la base de la mécanique quantique, les particules, y compris les atomes, peuvent être considérées comme des ondes. C’est le principe du « laser à atomes », défini comme un état cohérent d’atomes en propagation. Celui-ci repose sur un condensat de Bose-Einstein — un état de la matière dans lequel un grand nombre de particules occupent un même état quantique de plus basse énergie (l’état fondamental).
Le tout premier laser à atomes a été conçu au MIT, en 1996, par le physicien Wolfgang Ketterle et ses collaborateurs. Depuis, plusieurs concepts de lasers à atomes ont été démontrés, chacun utilisant différentes techniques de couplage de sortie. Ces véritables « faisceaux de matière » peuvent s’avérer très utiles dans le domaine de l’holographie, car ils permettent de créer des images holographiques à une résolution beaucoup plus élevée que l’approche traditionnelle. Ils pourraient également être exploités en interférométrie atomique, pour potentiellement détecter des changements dans l’espace-temps via les ondes gravitationnelles. Mais les lasers à atomes mis au point jusqu’à présent n’ont pu fonctionner que pendant une très courte période.
Un condensat de Bose-Einstein « durable »
En effet, ces lasers peuvent produire des impulsions d’ondes de matière, mais après avoir envoyé une telle impulsion, un nouveau condensat de Bose-Einstein (CBE) doit être créé pour pouvoir générer une nouvelle impulsion. À noter que les physiciens ont par le passé rencontré le même problème avec les lasers optiques : ceux-ci étaient tout d’abord uniquement impulsionnels avant d’être continus.
Les CBE sont malheureusement très fragiles. Ils sont formés d’atomes se comportant comme des bosons ; ces derniers peuvent tous être exactement dans le même état au même moment : on dit qu’ils se « condensent » en une onde cohérente. Mais la formation d’ondes de matière cohérentes d’un CBE nécessite des températures extrêmement basses, d’environ un millionième de degré au-dessus du zéro absolu (-273,15 °C). « Une contrainte de longue date pour les dispositifs à gaz quantique est la nécessité d’exécuter les étapes de refroidissement de manière chronologique, ce qui limite ces dispositifs à un fonctionnement pulsé », expliquent les chercheurs dans Nature.
Pour que ces ondes de matière puissent être utilisées dans des applications pratiques, il est indispensable de les faire durer et donc, de créer un CBE continu. Pour ce faire, la clé est d’amplifier continuellement l’onde de matière atomique tout en préservant sa cohérence de phase. Un processus d’amplification est essentiel pour compenser les pertes d’atomes qui se produisent naturellement ; il est également nécessaire de remplacer les atomes qui seront couplés hors du CBE pour alimenter un laser atomique ou un interféromètre atomique, précise l’équipe. Deux ingrédients sont donc nécessaires : un mécanisme de gain qui amplifie le CBE et un approvisionnement continu en atomes ultrafroids.
Le professeur Florian Schreck et ses collègues de l’Université d’Amsterdam ont relevé le défi : « Dans les expériences précédentes, le refroidissement progressif des atomes se faisait en un seul endroit. Dans notre configuration, nous avons décidé d’étaler les étapes de refroidissement non pas dans le temps, mais dans l’espace », explique le physicien.
Vers des dispositifs à ondes de matière cohérentes continues
L’expérience a été réalisée à partir d’atomes de strontium. Concrètement, les scientifiques ont fait bouger les atomes à mesure des différentes étapes de refroidissement, de façon à ce qu’ils parviennent au cœur de l’expérience au moment où ils sont ultrafroids. Arrivés à ce stade, ils sont utilisés pour former des ondes de matière cohérentes dans un CBE. Et alors qu’ils sont utilisés, de nouveaux atomes sont déjà en route pour reconstituer le CBE. De cette façon, le condensat d’ondes est alimenté en continu et indéfiniment.
En remplissant régulièrement ce bain thermique tout en atteignant des densités d’espace de phase 1000 fois supérieures à celles des travaux précédents, l’équipe a réussi à maintenir les conditions de condensation. « Notre expérience est l’analogue en ondes de matière d’un laser optique à ondes continues avec des miroirs à cavité entièrement réfléchissants », expliquent-ils.
« Cette démonstration de preuve de principe fournit une nouvelle pièce, jusqu’ici manquante, de l’optique atomique, permettant la construction de dispositifs à ondes de matière cohérentes continues », conclut l’équipe.
Maintenant qu’ils ont résolu le problème de la création d’un condensat de Bose-Einstein continu, les chercheurs se sont fixé un nouvel objectif : utiliser le laser pour créer un faisceau de sortie de matière stable. Lorsque leurs lasers pourront fonctionner éternellement et produire des faisceaux stables, plus rien ne s’opposera aux applications techniques, et les lasers à atomes pourraient commencer à jouer un rôle tout aussi important dans la technologie que les lasers ordinaires.