BOSE-EINSTEIN CONDENSATION DE

La condensation de Bose-Einstein, prévue par Albert Einstein et le physicien indien Satyendranath Bose dès 1924, a constitué pendant bien des années un des objectifs majeurs des physiciens du monde entier. En refroidissant un nuage d'atomes à une température proche du zéro absolu (quelques dixièmes de millionième de kelvin), deux équipes de chercheurs américains, Eric Cornell et ses collaborateurs à l'université du Colorado, puis un groupe du Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.), ont réussi à produire, en 1995, un tel condensat, étrange état de la matière, qui n'est ni solide ni liquide mais ressemblerait plutôt à un gaz pris en masse.

Le principe de la condensation de Bose-Einstein

La condensation de Bose-Einstein est un phénomène purement quantique ; elle plonge ses racines dans un monde qui n'a rien d'intuitif. La plupart des effets quantiques se manifestent soit dans le domaine microscopique, soit à basse température. Cette condensation ne déroge pas à la règle puisqu'elle apparaît lorsqu'on se rapproche du zéro absolu (— 273 ⁰C ou 0 K). Autre fait remarquable et typique du monde quantique, elle ne peut se produire que pour un certain type de particules, les bosons (terme provenant de leur inventeur, Bose).

Toutes les particules formant l'Univers se classent en effet en deux catégories, les bosons et les fermions (cf. particules élémentaires). Ces deux familles diffèrent profondément par la manière dont elles se comportent au niveau quantique. Contrairement à ce qui se passe dans notre monde macroscopique régi par la mécanique classique, une particule ne peut pas avoir n'importe quelle vitesse ou n'importe quelle énergie. Seules sont autorisées pour l'énergie et quelques autres grandeurs physiques certaines valeurs bien déterminées correspondant à des états quantiques, que l'on peut se représenter comme des cases ou des étagères disponibles pour les particules. Les fermions et les bosons occupent les états quantiques de façon tout à fait différente.

Les fermions, par exemple les électrons, les protons ou les neutrons, obéissent à un principe d'exclusion, dit de Pauli, qui indique qu'un état quantique ne peut être occupé que par une seule particule. Au contraire, les bosons, comme les photons ou les particules composées d'un nombre pair de fermions, beaucoup moins individualistes, acceptent d'être à plusieurs dans le même état. Einstein a montré que cette caractéristique pouvait les amener à tous s'effondrer dans l'état de plus basse énergie : c'est précisément la condensation de Bose-Einstein. Celle-ci, reliée à la nature ondulatoire des particules, se produit lorsque les ondes associées aux différentes particules se recouvrent fortement, jusqu'à se confondre. Pour cela, il importe de renforcer la nature ondulatoire des particules, ce qui exige une très basse température.

Les fermions sembleraient donc avoir de la répulsion les uns pour les autres, tandis que les bosons s'attireraient. De fait, cette attirance et cette répulsion ne font intervenir aucune force, c'est-à-dire, pour les particules, aucune interaction mutuelle. Elles résident dans la nature même des particules. Alors qu'une vapeur se condense en liquide à cause de l'attraction entre ses atomes ou ses molécules, la condensation de Bose-Einstein survient dans un gaz où les particules n'interagissent pas du tout entre elles, en d'autres termes, dans un gaz parfait tel qu'il est défini en thermodynamique. Mais ce gaz n'existe qu'en théorie car la plupart des atomes ont en fait une forte attraction mutuelle dès qu'ils sont assez proches, et ils se condensent de manière banale si on les refroidit, bien avant que l'on puisse observer la condensation de Bose-Einstein.

Rien d'étonnant donc[...]