Des scientifiques préparent le terrain pour la chimie quantique dans l'espace
Pour la première fois dans l'espace, des scientifiques ont produit un mélange de deux gaz quantiques composés de deux types d'atomes. Réalisée avec le Cold Atom Laboratory de la NASA à bord de la Station spatiale internationale, cette prouesse marque une nouvelle étape vers l'introduction dans l'espace de technologies quantiques actuellement disponibles uniquement sur Terre. Des physiciens de l'université Leibniz de Hanovre (LUH), qui font partie d'une collaboration dirigée par le professeur Nicholas Bigelow, de l'université de Rochester, ont fourni les calculs théoriques nécessaires à cette réalisation. Alors que les outils quantiques sont déjà utilisés dans tous les domaines, des téléphones portables aux GPS en passant par les appareils médicaux, ils pourraient à l'avenir être utilisés pour améliorer l'étude des planètes, y compris la nôtre, ainsi que pour aider à résoudre les mystères de l'univers et approfondir notre compréhension des lois fondamentales de la nature. Ces nouveaux travaux, réalisés à distance par des scientifiques sur Terre, sont décrits dans le numéro du 16 novembre de la revue Nature.
Grâce à cette nouvelle capacité, il est désormais possible d'étudier non seulement les propriétés quantiques des différents types d'atomes, mais aussi la chimie quantique, qui se concentre sur la manière dont les isotopes de différents éléments atomiques interagissent et se combinent les uns avec les autres dans un état quantique. Les chercheurs pourront mener un plus large éventail d'expériences avec Cold Atom Lab et en apprendre davantage sur les nuances de leur réalisation en microgravité. Ces connaissances seront essentielles pour exploiter cette installation unique en son genre afin de développer de nouvelles technologies quantiques dans l'espace.
Chimie quantique
Le monde physique qui nous entoure dépend des atomes et des molécules qui restent liés entre eux, selon un ensemble de règles établies. Mais différentes règles peuvent dominer ou s'affaiblir en fonction de l'environnement dans lequel se trouvent les atomes et les molécules, comme la microgravité. Les scientifiques du Cold Atom Lab explorent des scénarios dans lesquels la nature quantique des atomes domine leur comportement. Cela peut signifier qu'au lieu de se comporter comme des boules de billard solides, les atomes et les molécules se comportent davantage comme des ondes.
Dans l'un de ces scénarios, les atomes des molécules à deux ou trois atomes peuvent rester liés mais s'éloigner de plus en plus les uns des autres, comme si les molécules devenaient pelucheuses. Pour étudier ces états, les scientifiques doivent d'abord ralentir les atomes. Pour ce faire, ils les refroidissent à des fractions de degré au-dessus de la température la plus basse que la matière puisse atteindre et bien plus froide que tout ce que l'on trouve dans l'univers naturel : le zéro absolu, ou moins 273 degrés Celsius.
Les physiciens ont créé ces molécules duveteuses lors d'expériences sur les atomes froids au sol, mais elles sont extrêmement fragiles et se désagrègent rapidement ou s'effondrent pour revenir à un état moléculaire normal. C'est pourquoi les molécules élargies à trois atomes n'ont jamais été visualisées directement. En microgravité, les molécules fragiles peuvent exister plus longtemps et potentiellement grossir, c'est pourquoi les physiciens sont enthousiastes à l'idée de commencer à expérimenter avec la nouvelle capacité du Cold Atom Lab.
Ces types de molécules n'existent probablement pas dans la nature, mais il est possible qu'elles soient utilisées pour fabriquer des détecteurs sensibles capables de révéler des changements subtils dans l'intensité d'un champ magnétique, par exemple, ou toute autre perturbation qui les fait se briser ou s'effondrer.
Un mystère moderne
"Nous disposons désormais, par exemple, de moyens totalement nouveaux pour tester le principe d'équivalence d'Einstein, l'un des postulats les plus fondamentaux de la physique fondamentale", explique Naceur Gaaloul, de l'Institut d'optique quantique de la LUH, et coauteur de la nouvelle étude. Le célèbre principe veut que la gravité affecte tous les objets de la même manière, quelle que soit leur masse. C'est un principe que de nombreux professeurs de physique démontrent en plaçant une plume et un marteau dans une chambre à vide scellée et en montrant qu'en l'absence de frottement de l'air, les deux tombent à la même vitesse.
À l'aide d'un instrument appelé interféromètre atomique, des scientifiques ont déjà mené des expériences sur Terre pour vérifier si le principe d'équivalence s'applique à l'échelle atomique. En utilisant un gaz quantique contenant deux types d'atomes et un interféromètre dans la microgravité de la station spatiale, ils pourraient le tester avec plus de précision que ce qui est possible sur Terre. Ils pourraient ainsi découvrir s'il existe un point où la gravité ne traite pas toute la matière de la même manière, ce qui indiquerait que la théorie générale de la relativité contient une erreur (même minime).
Le principe d'équivalence fait partie de la théorie générale de la relativité d'Albert Einstein, l'épine dorsale de la physique gravitationnelle moderne, qui décrit le comportement des objets de grande taille, tels que les planètes et les galaxies. Mais l'un des grands mystères de la physique moderne est de savoir pourquoi les lois de la gravité ne semblent pas correspondre aux lois de la physique quantique, qui décrivent le comportement de petits objets, comme les atomes. Les deux domaines se sont avérés corrects à maintes reprises dans leurs domaines de taille respectifs, mais les physiciens n'ont pas été en mesure de les réunir en une seule description de l'univers dans son ensemble.
La recherche de caractéristiques de la gravité non expliquées par la théorie d'Einstein est un moyen de trouver un moyen d'unification ou d'en savoir plus sur la nature de l'énergie noire, le mystérieux moteur de l'accélération de l'expansion de l'univers.
De meilleurs capteurs
Les scientifiques ont déjà des idées pour aller au-delà des tests de physique fondamentale en microgravité. Ils ont également proposé des expériences spatiales qui pourraient utiliser un interféromètre atomique et des gaz quantiques pour mesurer la gravité avec une grande précision afin d'observer les variations de masse sur Terre. Ce qu'ils apprendront pourrait conduire au développement de capteurs de précision pour un large éventail d'applications telles que la géophysique, la recherche climatique ou la navigation inertielle dans l'espace.
La qualité de ces capteurs dépendra de la manière dont les scientifiques comprendront le comportement de ces atomes en microgravité, notamment la manière dont ils interagissent les uns avec les autres. L'introduction d'outils permettant de contrôler les atomes, tels que les champs magnétiques, peut les faire se repousser comme l'huile et l'eau ou se coller comme le miel. La compréhension de ces interactions est l'un des principaux objectifs du Cold Atom Lab et de son successeur BECCAL, un projet commun de la NASA et de l'Agence aérospatiale allemande (DLR).
Leader mondial de la physique quantique ultrafroide
Les scientifiques de l'université Leibniz de Hanovre comptent parmi les principaux experts internationaux de la recherche quantique à des températures extrêmement basses, tant sur Terre que dans l'espace. Le groupe thématique "Atomes froids dans l'espace" du pôle d'excellence QuantumFrontiers, par exemple, développe de nouvelles idées pour la physique quantique fondamentale. Dans les installations de l'interféromètre atomique à très longue base et de l'ascenseur d'Einstein, les atomes ultrafroids constituent l'élément central d'expériences révolutionnaires dans le domaine de l'optique atomique, avec des applications en gravimétrie absolue de haute précision et des tests de physique fondamentale.
Des préparatifs sont également en cours pour le lancement de la mission de la fusée MAIUS-2, qui étudiera la génération de mélanges de gaz quantiques dans l'espace et dont les résultats serviront de base à d'ambitieuses missions d'interférométrie en collaboration avec la NASA sur la Station spatiale internationale à partir de 2027.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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