Introduction

Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une température suffisamment basse, caractérisé par une fraction macroscopique d'atomes dans l'état quantique de plus basse énergie. Ce phénomène a été prédit en 1925 par Albert Einstein (Albert Einstein (né le 14 mars 1879 à Ulm, Wurtemberg, et mort le...) qui a généralisé les travaux de Satyendra Nath Bose sur les statistiques quantiques des photons au cas des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...). En 1938, Pyotr Kapitsa, John Allen et Don Misener découvrirent le caractère superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première...) de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) 4, pour des températures inférieures à 2,17 K. Cette propriété a rapidement été reliée à la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de...) de Bose-Einstein d'une partie des atomes d'hélium 4, qui sont des bosons. Le premier condensat gazeux a été produit en 1995 par Eric Cornell (Eric Allin Cornell (19 décembre 1961) est un physicien américain qui, avec Carl Wieman,...) et Carl Wieman (Carl Edwin Wieman (26 mars 1951 à Corvallis, Oregon, États-Unis) est un...), ouvrant la voie à l'étude des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) atomiques dilués ultrafroids dans le régime quantique et leur offrant le prix nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) en 2001.

Prédictions de Bose et Einstein

La statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle...) quantique impliquée dans le phénomène de condensation de Bose-Einstein concerne les particules appartenant à la famille des bosons, qui sont les particules de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) entier, en opposition à la famille des fermions qui sont de spin demi-entier.

Satyendra Nath Bose proposa une statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....) pour les photons différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des...) de la statistique classique de Boltzmann, en se basant sur la possibilité pour plusieurs photons d'être dans le même état et sur l'indiscernabilité absolue (L'absolue est un extrait obtenu à partir d’une concrète ou d’un...) de deux photons de même état quantique (En mécanique quantique, l'état d'un système décrit tous les aspects du système physique. Il...).

Albert Einstein généralisa cette statistique à toutes les particules bosoniques, qu'elles soient non massives, comme le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...), ou massives, comme les atomes d'hélium 4.

L'étude par ce dernier du gaz parfait (Le gaz parfait est un modèle thermodynamique décrivant le comportement de tous les gaz...) monoatomique bosonique a montré l'existence d'une transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié...) entre le gaz classique et un état de la matière (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne...) où les atomes s'accumulent dans l'état quantique de plus basse énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), lorsqu'on diminue la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...). Cette phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) est aujourd'hui appelée un condensat de Bose-Einstein (Un condensat de Bose-Einstein est un état de la matière formé de bosons à une...). Le manuscrit d'Albert Einstein, titré Quantum theory of the monatomic ideal gas, daté de décembre 1924 a été découvert dans les archives de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Lorenz de l'Université de Leyde (L'université de Leyde (en néerlandais, Universiteit Leiden, UL) est la plus ancienne des...). Illustrations

Gaz atomiques dilués ultrafroids

Graphique 3D montrant 3 états successifs : les atomes sont de plus en plus denses (de la gauche vers la droite)

La physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de l'hélium 4 à très basse température est très complexe du fait des fortes interactions entre atomes. Afin de pouvoir étudier et exploiter plus simplement le phénomène de condensation de Bose-Einstein, on a cherché à l'observer pour des systèmes très dilués, plus proches du gaz parfait qui avait été le modèle initialement présenté par Einstein.

Première obtention d'un condensat

L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) des condensats a été possible grâce au développement des techniques de refroidissement d'atomes par laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...). Les très basses températures atteintes ont permis d'atteindre le régime de condensation pour des gaz suffisamment dilués pour que les interactions ne masquent pas le phénomène de condensation. En 1995, une équipe du laboratoire NIST/JILA (Boulder, Colorado, États-Unis), dirigée par Eric Cornell et Carl Wieman, est parvenue à obtenir pendant quelques secondes un condensat de Bose-Einstein ; il était constitué de quelques milliers d’atomes de rubidium (Le rubidium est un élément chimique, de symbole Rb et de numéro atomique 37.) prérefroidis par laser, puis refroidis plus avant par « évaporation » dans un piège magnétique. La température du gaz était alors de l'ordre de 100 nK.

Un troisième chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...): Wolfgang Ketterle (Wolfgang Ketterle (21 octobre 1957 à Heidelberg, Allemagne) est un physicien allemand. Il est...) diplômé de l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Ludwig-Maximilian de Munich étudie également, de son côté, "le refroidissement par laser et le piègeage des atomes froids" ainsi que la superfluidité dans les gaz à « haute température ».

Ces trois chercheurs (Cornell, Wieman et Ketterle), recevront en 2001, le prix Nobel de physique "pour la découverte de la condensation de Bose-Einstein dans les gaz et pour des avancées dans l'étude des propriétés de ces condensats".