Le zéro absolu quasiment atteint avec une molécule!

Crédits photo : La molécule de sodium potassium (NaK) Crédits : Jose-Luis Olivares/MIT

Source : Sciences et Avenir & Le Journal de la Science & Sciencepost.fr par JB Nail

500 nanokelvins ! C’est la différence de température entre le zéro absolu et celle obtenue récemment par une équipe de physiciens du MIT avec des molécules de sodium potassium. Ces molécules ont présenté un comportement très différent de celui observé à température ambiante.

-273,15°C, soit 0 Kelvin. C’est la température limite la plus basse, le « zéro absolu ». Et celui-ci est physiquement inatteignable. En effet, les propriétés de la mécanique quantique interdisent d’égaler ou de dépasser cette frontière thermique. En revanche, il est toujours possible de s’en approcher asymptotiquement !

Depuis 2003, le record de température la plus basse est détenu par des atomes de sodium (Na) sous forme de gaz. Ceux-ci avaient atteint la température de 0,45 nK (soit 0, 000 000 000 45 Kelvin).

Cette fois-ci, il s’agit de molécules : du sodium potassium, toujours sous forme de gaz. C’est la première fois que l’on arrive à faire descendre des molécules à des températures aussi extrêmes.

Comment est-il possible d’avoir un gaz à cette température ?Le point d’ébullition du sodium potassium (NaK) est de 785°C et son point de fusion de -12,6°C à pression atmosphérique. Ce qui veut dire que, dans des conditions normales, notre molécule devient un solide, alors qu’il reste encore plus de 260 degrés à « descendre » ! Alors, il est toujours possible de diminuer le point de fusion de la molécule en augmentant la pression (d’après la loi des gaz parfaits : P.V = n.R.T), mais cela n’est pas possible pour des températures aussi basses.

De toute manière, aucun matériau n’est capable d’enfermer des particules à des températures aussi extrêmes. Même dans l’espace, la température ne descend pas en-dessous de 3K. En réalité, les scientifiques contournent le problème en utilisant des techniques de refroidissement laser.

La température des atomes est liée à leur vitesse. Plus un atome se déplace rapidement, plus il est chaud. Refroidir un atome est donc synonyme de ralentir un atome. À température ambiante, la vitesse d’un atome dans un gaz est de l’ordre de 150 m/s (environ 500 km/h). Grâce aux techniques de refroidissement laser, le physicien sait maintenant ralentir certains atomes à des vitesses de l’ordre du cm/s, voire moins (quelques dizaines de mètres à l’heure).

Dans le processus de refroidissement avec un laser, ce sont les photons émis qui freinent les atomes. Ceux-ci sont tout d’abord piégés par un champ magnétique pour qu’ils puissent rester au centre de l’habitacle expérimental sans se cogner aux parois. Ils sont ensuite bombardés par de multiples rayons lasers qui vont petit à petit réduire leur vitesse par la force de pression de radiation.

Des comportements « exotiques »En refroidissant le gaz de NaK à un cheveu au-dessus du zéro absolu, les chercheurs se sont aperçus que les molécules résistaient beaucoup mieux aux collisions avec leurs voisines et présentaient ainsi une durée de vie beaucoup plus longue. Un comportement somme toute assez logique, puisque la vitesse de ces molécules atteint seulement quelques centimètres par seconde.

Martin Zwierlein, professeur au MIT ayant participé à l’étude, raconte :

« Nous sommes très près de la température à laquelle les effets de la mécanique quantique jouent un rôle prépondérant (…). Avec ces molécules ultrafroides, vous pouvez obtenir une grande variété d’états de la matière, comme des cristaux superfluides. Ceci n’a jamais été observé, mais seulement prédit. Nous ne sommes probablement pas loin de voir ces effets, ce qui est très excitant ».