Les atomes froids

Or nul ne pouvait envisager dans les années 20 qu'on trouverait des moyens en laboratoire pour produire des températures descendant jusqu'au milliardième de degré au-dessus du zéro absolu, c'est-à-dire que la vitesse des atomes dans un gaz pourrait être ralentie à quelques millimètres par seconde. Comment est-on parvenu au tour de force de, pour ainsi dire, geler sur place un ensemble d'atomes ? La méthode qui s'est développée depuis les années 70 est fondée sur l'interaction du gaz avec de la lumière. On sait en effet que les atomes peuvent absorber de petits quanta de lumière appelés photons, qui leur communiquent alors une impulsion : il en résulte une force qui les pousse dans la direction de la lumière incidente ; on explique ainsi l'orientation de la queue des comètes par rapport au Soleil qui les illumine. Il a fallu attendre l'apparition du laser, il y a juste cinquante ans, puis la compréhension approfondie des mécanismes de l'interaction atome-laser, pour parvenir à fabriquer ces gaz ultra-froids et en même temps les piéger sous forme de petits nuages de quelques milliards d'atomes lévitant dans le vide. Ces découvertes ont valu en 1997 le prix Nobel à Claude Cohen-Tannoudji à l'École normale supérieure, en même temps qu'à Bill Phillips et à Steven Chu aux États-Unis. Elles ont ouvert la voie aux condensats de Bose-Einstein et à bien d'autres sujets d'investigation.

Le domaine des atomes froids aujourd'hui a explosé dans le monde de la recherche et a rapidement débordé le champ de la physique atomique dont il était parti. S'ils continuent d'explorer les terres toujours mystérieuses de la mécanique quantique, les atomes froids ont aussi trouvé d'importantes applications. Ils font aujourd'hui gagner un facteur 100 sur la précision et l'exactitude des horloges atomiques. Avec le très ambitieux projet spatial PHARAO une horloge à atomes froids de césium sera expédiée en 2013 sur la plate-forme spatiale internationale ; elle permettra de synchroniser toutes les horloges de la Terre et fournira des tests de la relativité générale d'une précision sans précédent. Les premières technologies fondées sur les atomes froids commencent à se développer, de petits nuages ultra-froids peuvent être piégés par des circuits de taille micrométrique sur des " puces à atomes ". Les gyromètres, ces instruments qui servent au positionnement dans l'espace, vont devenir plus précis quand les lasers à atomes froids remplaceront les lasers usuels. Et des horloges à atomes froids pourraient bien un jour équiper les satellites qui servent au GPS. En outre, la possibilité de manipuler des atomes uniques ouvre des pistes nouvelles pour l'information quantique, c'est-à-dire la création de portes logiques avec des particules et des photons : l'ordinateur quantique du futur sera-t-il à base d'atomes froids ? Beaucoup le croient et y travaillent.

Ainsi le domaine des atomes froids se diversifie de plus en plus. Il s'étend aujourd'hui à de petites molécules qu'on commence à savoir produire à très faible vitesse dans leur état fondamental, ce qui ouvre des perspectives inattendues pour la chimie. Et non seulement on produit chaque année des condensats de Bose-Einstein avec toujours de nouveaux atomes de la classification périodique, mais aussi on refroidit maintenant des atomes d'une autre sorte, les fermions, ces particules de spin demi-entier qui obéissent à des lois différentes de la thermodynamique statistique. On sait piéger des gaz ultra-froids dans les réseaux créés par des potentiels lumineux périodiques générés par des faisceaux laser : il en résulte des structures qui offrent beaucoup d'analogie avec celle des cristaux de la matière condensée, à cette différence près que les paramètres des réseaux optiques peuvent être modifiés à volonté ; on dispose ainsi de systèmes modèles qui devraient aider à élucider les grandes questions de la physique de l'état solide, telles que la nature de la supraconductivité.

L'auteur de cet ouvrage est un très bon spécialiste du domaine des atomes froids, dans lequel il a effectué des recherches personnelles. Il a préparé une thèse de doctorat en physique atomique au laboratoire Kastler Brossel à l'École normale supérieure à Paris et a travaillé sur les condensats de Bose-Einstein de gaz rares dans l'équipe de Claude Cohen-Tannoudji. Le présent ouvrage reflète les connaissances directes qu'il a acquises dans ce laboratoire qui se situe au premier plan de la recherche internationale dans ce domaine. Erwan Jahier est actuellement professeur de physique en classe préparatoire à Rennes où il assure un enseignement au plus près des recherches actuelles. L'ouvrage est écrit dans un style didactique et plaisant.

Il comporte de nombreux schémas et illustrations et fort peu d'équations. Les concepts sont exposés simplement, en termes pédagogiques mais sans faire l'impasse sur les subtilités du domaine. Ce livre pourra servir de base aux enseignants et étudiants qui abordent les questions de mécanique quantique. Il pourra en outre intéresser tout public ayant une culture scientifique de base et curieux des développements les plus récents de la recherche.

Le domaine des atomes froids, né il y a environ trente ans, a connu très rapidement une activité extraordinaire. Le prix Nobel de physique 1997 a été attribué conjointement à Claude Cohen-Tannoudji, William D. Phillips et Steven Chu pour des contributions décisives au contrôle et à la manipulation des mouvements des atomes avec la lumière 1. Ces travaux couvrent aussi bien le domaine théorique, avec la compréhension fine des mécanismes mis en jeu, que le domaine expérimental, avec la mise en oeuvre des techniques de refroidissement extrême des atomes.

Aujourd'hui, il est devenu relativement commun, dans les laboratoires de recherche et même pour des études non spécialement dédiées aux atomes froids eux-mêmes, de disposer d'un ensemble de quelques millions à quelques milliards d'atomes dans une cellule, atomes refroidis à une température de l'ordre du millikelvin, c'est-à-dire un millième de degré au-dessus du zéro absolu ! Par ailleurs, la mise en oeuvre de la définition de la seconde, grâce aux horloges atomiques, exploite depuis déjà plusieurs années l'augmentation de précision permise par les atomes froids. Enfin, des appareils de mesure comme des gyromètres ou des gravimètres à atomes froids sont aussi en cours d'étude dans les laboratoires. Ces dispositifs constituent des capteurs avec une extraordinaire sensibilité, intéressants d'une part pour l'industrie et d'autre part pour la métrologie (projet de balance du watt visant à une redéfinition du kilogramme).