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Le « cinquième état de la matière » observé pour la première fois dans l’Espace

En utilisant les ressources du «Cold Atom Lab», un microlaboratoire spatial installé par la NASA à bord de l’ISS en 2018, dédié à des expérimentations sur des atomes à des températures de froid extrême, proches du zéro absolu soit -273,2 degrés Celsius, une équipe de physiciens de la NASA, opérant depuis la Terre, a réussi à maintenir et à observer un condensat de Bose-Einstein, prévu il y a presque un siècle par ces deux géants de la physique, pendant plus d'une seconde sur la Station spatiale internationale.

C'est la première fois que des scientifiques arrivent à former et à observer dans l’espace, un condensat Bose-Einstein. Celui-ci est parfois surnommé « cinquième état de la matière » (les quatre états habituels étant le solide, le liquide, le gaz et le plasma).

Il faut percevoir cet état de la matière comme un nuage gazeux d’atomes. À cette température, frôlant le zéro absolu sans jamais l’atteindre, les atomes sont à leur plus faible niveau d’énergie, ce qui a pour effet de les ralentir. C’est alors qu’en présence d’un piège magnétique, ils se rapprochent, se chevauchent, se condensent, pour ne former plus qu’un seul et même état quantique. Ils ne sont plus des atomes individuels, mais un collectif d’atomes. Un « super atome », comparable à une vague composée de vaguelettes. En relâchant le piège magnétique, les scientifiques peuvent observer cet état de la matière un court instant.

Lorsque les atomes deviennent ce condensat, ils adoptent des propriétés quantiques qui sont plus facilement observables. Rares sont les moments où le monde quantique est suffisamment stable pour être étudié. Les condensats sont une forme de milieu intermédiaire entre le monde macroscopique et le monde microscopique. Et c’est donc, également, un portail scientifique vers une meilleure compréhension de la mécanique quantique.

Grâce à son environnement en micro-gravité, les atomes sont plus facilement maintenus sous ce cinquième état de la matière. L’expérience relatée dans Nature a permis de maintenir des condensats de Bose-Einstein plus d’une seconde, quand, ici-bas, ils se dissipent en quelques millisecondes. Or, plus le condensat peut être maintenu, plus les scientifiques ont un temps d’observation accru et une capacité d’imagerie plus nette.

Les physiciens auteurs de l’étude écrivent qu’il s’agit d’une « démonstration initiale des avantages offerts par un environnement de microgravité pour des expériences de refroidissement des atomes, et cela confirme le succès opérationnel de cette installation ». Comme ils l’indiquent eux-mêmes, ce n’est qu’une première étape, mais elle relève d’un véritable accomplissement scientifique et technologique, ouvrant la voie à de nouvelles avancées importantes.

En réussissant à produire cet état de la matière si longtemps, dans l’Espace, à bord de l’ISS, les physiciens progressent vers la compréhension de la mécanique quantique, mais ils développement aussi un outil précieux. « Les applications vont des expériences en relativité générale et de la quête d’énergie sombre ainsi que d’ondes gravitationnelles à la navigation des vaisseaux spatiaux et à la recherche de minéraux sous la surface de la lune et autres corps planétaires », commente l’un des physiciens travaillant sur le projet.

Article rédigé par Georges Simmonds pour RT Flash

Nature

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