Une nouvelle technique de refroidissement quantique ouvre la voie à des températures ultra-froides

Tout s'arrête, plus rien ne bouge : on dirait que le temps s'est arrêté. C'est à peu près ce que l'on pourrait imaginer d'un monde à -273,15 degrés Celsius, une température qui, selon la thermodynamique, ne peut jamais être atteinte. Pourtant, les physiciens rivalisent d'ingéniosité pour s'approcher le plus possible du zéro absolu en température, car c'est dans ces zones ultra-froides que la nature quantique des systèmes de particules apparaît clairement. Le record actuel est de 38 picokelvins, soit seulement 38 billionièmes de degré au-dessus du zéro. Pour y parvenir, les spécialistes ont jusqu'à présent eu recours aux lasers et aux champs magnétiques pour ralentir les atomes et ainsi les refroidir. Mais aujourd'hui, des chercheurs dirigés par Ju Li du Massachusetts Institute of Technology de Cambridge ont mis au point une toute nouvelle méthode de refroidissement qui pourrait refroidir encore plus les particules à l'avenir.

Comme ils le rapportent dans un article qui sera bientôt publié dans le journal "Physical Review Letters", une propriété inhabituelle de la mécanique quantique pourrait être utilisée pour refroidir les particules plus rapidement et plus fortement qu'auparavant. Li et son équipe ont étudié des systèmes non hermitiens, c'est-à-dire des systèmes quantiques qui ne sont pas fermés et qui échangent donc de l'énergie avec leur environnement. Comme l'énergie n'y est pas conservée, des phénomènes surprenants s'y produisent : Entre autres, des distributions étranges et non uniformes de particules apparaissent.

Par exemple, dans l'effet de peau non hermitique, la probabilité de trouver une particule à une extrémité d'une barre est extrêmement élevée, alors que la probabilité à l'autre extrémité est presque nulle. Les spécialistes accordent généralement la plus grande attention au pic élevé, écrivent Li et ses collègues dans leur article, mais le potentiel de l'autre extrémité "supprimée" n'a guère été pris en compte jusqu'à présent. Ce qui est particulièrement intéressant, c'est que cet effet de peau peut être appliqué non seulement à de vraies particules comme les électrons, mais aussi à des excitations qui se comportent simplement comme des particules, comme les vibrations qui transmettent la chaleur.

L'équipe du MIT a donc calculé ce qui se passerait si l'effet de peau non hermite était appliqué à de telles oscillations : La chaleur du système s'accumulerait à une extrémité de la barre, tandis que l'autre extrémité serait rapidement refroidie. En appliquant cette méthode à des systèmes déjà refroidis, par exemple par laser, les chercheurs espèrent atteindre à l'avenir des températures encore plus basses, proches du point zéro.

Le travail de l'équipe de Li n'est pour l'instant que théorique. Mais le physicien Uroš Delić de l'université de Vienne, qui a participé à ces travaux, expérimente déjà des systèmes non hermitiens. Comme il l'explique dans un article de "New Scientist", il tente actuellement de mettre en œuvre la nouvelle méthode de refroidissement en laboratoire.

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