Même si la méthode de refroidissement des gaz grâce au laser a été développée il y a 30 ans par des chercheurs américains et finlandais, l'invention n'avait jusqu'alors pas révélé d'intérêt particulier. Des physiciens de l'Université de Bonn ont maintenant réussi à démonter l'efficacité réelle de cette découverte. Leur étude a été publiée le 3 septembre 2009 dans la revue Nature.
Le refroidissement rapide de la matière ouvre de nouvelles perspectives de recherche. Les chercheurs ont testé un principe totalement nouveau de refroidissement en utilisant la propriété suivante : un atome est excité lorsqu'il est soumis à la lumière, et un électron de cet atome a alors la possibilité de se déplacer de façon à atteindre un niveau d'énergie plus élevé. Ceci ne peut se faire que lorsque la lumière incidente possède la bonne longueur d'onde.
Les atomes d'un gaz entrent régulièrement en collision les uns avec les autres, d'autant plus si la pression est élevée. "Ces collisions peuvent aussi dévier les niveaux d'énergie des électrons", explique le Prof. Dr. Martin Weitz de l'Institut de sciences appliquées de Bonn. "Au moment de ces collisions, l'énergie nécessaire à propulser l'électron jusqu'à une orbite plus élevée sera donc moindre." Après la collision, l'électron revient sur son niveau d'énergie initial. Pour se maintenir sur un niveau d'énergie plus haut, l'électron doit "emprunter" de l'énergie. "Pour cela, il utilise l'énergie cinétique de l'atome, qui va de fait décélérer", déclare Weitz. La vitesse et la température sont étroitement liées : plus les molécules se déplacent lentement dans un gaz, plus il fait froid. C'est le principe du refroidissement laser.
Cette méthode a été initialement proposée en 1978 par des chercheurs de New York et de Helsinki. A la base, leur idée était d'utiliser des gaz à des pressions basses. Les expériences menées jusqu'ici n'ont toutefois pas été couronnées de succès. Les chercheurs de Bonn ont essayé de refroidir un mélange d'argon contenant des traces de rubidium chauffé à 350 degrés Celsius et porté à une pression de 230 bars. "Dans ces conditions, nous avons été capables de stimuler le rubidium avec le laser, dont l'énergie n'aurait pas été suffisante dans des conditions normales", affirme Weitz. "Le mélange de gaz s'est refroidi en quelques secondes pour atteindre une température de 70 degrés."
La capacité de refroidissement rapide est l'une des raisons pour lesquelles ce procédé est intéressant pour les scientifiques : il permet d'acheminer des gaz vers des nouveaux états jusque-là inexplorés. Dans le cas d'un refroidissement rapide, les molécules restent à l'état gazeux à des températures auxquelles elles devraient être liquides ou même solides. Des effets similaires sont connus pour l'eau, qu'il est possible de refroidir jusqu'à moins 42 degrés Celsius, sans qu'elle ne se fige.
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