Le condensat de Bose-Einstein est un état agrégé spécifique de l’état agrégé de la matière, qui est représenté principalement par des bosons à très basse température.
Il s’agit d’un état condensé du gaz de Bose — un gaz composé de bosons et obéissant aux effets de la mécanique quantique.
Table des matières
Statistiques de Bose-Einstein
En 1924, le physicien indien Satyendra Nath Bose a proposé des statistiques quantiques pour décrire les bosons, des particules dotées d’un spin entier, qui ont également reçu son nom. En 1925, Albert Einstein a généralisé les travaux de Bose en appliquant ses statistiques à des systèmes constitués d’atomes à spin entier. Ces atomes comprennent, par exemple, les atomes d’hélium 4. Contrairement aux fermions, les bosons n’obéissent pas au principe d’interdiction de Pauli, ce qui signifie que plusieurs bosons peuvent se trouver dans le même état quantique.
Les scientifiques Satyendra Nath Bose et Albert Einstein
La statistique de Bose-Einstein permet de décrire la distribution de particules ayant un spin entier ou nul. En outre, ces particules ne doivent pas interagir et doivent être identiques, c’est-à-dire indiscernables.
Matériel sur le sujet
Condensat de Bose-Einstein
Le condensat de Bose-Einstein est un gaz composé de particules ou d’atomes à spin entier. Comme on le sait, les particules sont capables de prendre plusieurs états quantiques à la fois — ce que l’on appelle les effets quantiques. Selon les travaux d’Einstein, le nombre d’états quantiques disponibles pour une particule diminue à mesure que la température baisse. La raison en est que les particules préfèrent de plus en plus les états les moins énergétiques à mesure que la température diminue. Étant donné que les bosons sont capables de se trouver dans le même état au même moment, ils se déplaceront vers le même état à mesure que la température diminue.
Ainsi, le condensat de Bose-Einstein sera constitué de nombreuses particules n’interagissant pas entre elles et se trouvant dans le même état. Il convient de noter qu’avec la baisse de la température, la nature ondulatoire des particules devient de plus en plus évidente. À la sortie, nous aurons une onde mécanique quantique à l’échelle macroscopique.
Données de distribution de vitesse (3 vues) pour un gaz d’atomes de rubidium, confirmant la découverte d’une nouvelle phase de la matière, le condensat de Bose-Einstein. À gauche : avant l’apparition du condensat de Bose-Einstein. Au centre : immédiatement après l’apparition du condensat. À droite : après une nouvelle évaporation, laissant un échantillon de condensat presque pur.
Comment obtient-on un condensat de Bose-Einstein ?
Cet état agrégé a été obtenu pour la première fois en 1995 par des physiciens américains du National Institute of Standards and Technology, Eric Cornell et Carl Wieman. Lors de l’expérience, ils ont utilisé la technologie de refroidissement par laser, grâce à laquelle ils ont réussi à abaisser la température de l’échantillon à 20 nanokelvins. Comme matériau pour le gaz, ils ont utilisé du rubidium-87, dont 2 000 atomes sont passés à l’état de condensat de Bose-Einstein. Quatre mois plus tard, le physicien allemand Wolfgang Ketterle a également obtenu des condensats dans des volumes beaucoup plus importants. Les scientifiques ont ainsi confirmé expérimentalement la possibilité d’atteindre le «cinquième état agrégé» à des températures ultra-basses, ce qui leur a valu le prix Nobel en 2001.
En 2010, des scientifiques allemands de l’université de Bonn, dirigés par Martin Weitz, ont obtenu un condensat de Bose-Einstein de photons à température ambiante. Pour ce faire, ils ont utilisé une caméra dotée de deux miroirs incurvés, entre lesquels l’espace a été progressivement rempli de photons. À un moment donné, les photons «lancés» à l’intérieur ne pouvaient plus atteindre un état d’énergie d’équilibre, contrairement aux photons qui s’y trouvaient auparavant. Ces photons «supplémentaires» ont commencé à se condenser, passant au même état de moindre énergie et formant ainsi le cinquième état agrégé. En d’autres termes, les scientifiques ont réussi à obtenir un condensat de photons à température ambiante, sans refroidissement.
Dès 2012, il a été possible d’obtenir des condensats à partir de nombreux autres isotopes, notamment des isotopes de sodium, de lithium, de potassium et autres. En 2014, une unité de création de condensat a été testée avec succès et sera envoyée dans la Station spatiale internationale en 2017 pour des expériences en apesanteur.
Applications du condensat
Bien que ce phénomène soit difficile à visualiser, comme tout effet quantique, une telle substance peut trouver une application dans un large éventail de tâches. Un exemple d’application du condensat de Bose-Einstein est le laser atomique. Comme on le sait, le rayonnement émis par un laser est cohérent. Cela signifie que les photons de ce rayonnement ont la même énergie, la même phase et la même longueur d’onde. Si les photons sont dans le même état mécanique quantique, comme dans le cas du condensat de Bose-Einstein, il est possible de synchroniser cette matière refroidie pour produire le rayonnement d’un laser plus efficace. Un tel laser atomique a été créé en 1997 sous la direction de Wolfgang Ketterle, l’un des premiers scientifiques à avoir créé un condensat.
La méthode de production de condensats à partir de photons, utilisée par des scientifiques allemands en 2010, pourrait trouver une application dans le domaine de l’énergie solaire. Selon certains physiciens, elle permettra d’améliorer l’efficacité des cellules solaires par temps nuageux.
Condensat de Bose-Einstein — visualisation graphique
Le condensat de Bose-Einstein ayant été obtenu relativement récemment, ses applications n’ont pas encore été définies avec précision. Cependant, selon plusieurs scientifiques, le condensat pourrait être utile dans de nombreux domaines, allant des équipements médicaux aux ordinateurs quantiques.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023