La station spatiale chinoise abrite la matière la plus froide jamais créée
Dans un laboratoire en orbite à environ 400 kilomètres au-dessus de la Terre, un petit nuage d’atomes de rubidium a été refroidi à 9,7 picokelvins. C’est environ 14 ordres de grandeur plus froid que la température ambiante, et plus froid que tout autre matériau artificiel jamais enregistré. Le résultat, obtenu à bord de la station spatiale chinoise, a attiré l’attention bien au-delà des revues de physique — en partie parce que le chiffre est difficile à se représenter, et en partie parce que l’expérience n’aurait pu avoir lieu qu’en orbite.
Pour comprendre l’échelle : un picokelvin est un billionième de kelvin. À 9,7 picokelvins, les atomes bougent à peine. Dans l’expérience, un nuage d’atomes de rubidium a mis sept secondes à dériver d’environ 500 micromètres — à peu près l’épaisseur d’un cheveu humain —, un rythme qui ressemble à un ralenti mais qui n’est que l’état réel du nuage atomique au voisinage du zéro absolu.
Pourquoi aller dans l’espace pour cela ? Sur Terre, la gravité attire tout nuage d’atomes piégé, si bien que les chercheurs doivent couper leurs pièges magnétiques ou optiques et laisser les atomes tomber pendant qu’ils les observent. Ils disposent alors d’une fraction de seconde avant que le nuage ne disparaisse du champ de vision. En microgravité, le nuage flotte. L’équipe chinoise a pu l’observer pendant des secondes plutôt que des millisecondes, ce qui rend la mesure de dérive possible.
Les atomes froids ne sont pas qu’une curiosité. À des températures proches du zéro absolu, les effets quantiques deviennent visibles à l’échelle macroscopique : les atomes se comportent comme des ondes, et les figures d’interférence peuvent être mesurées avec une précision extraordinaire. Ces systèmes sous-tendent certaines des horloges atomiques les plus précises au monde, des capteurs sensibles à la gravité et aux champs magnétiques, et des plateformes pour tester la physique fondamentale. Une fenêtre d’observation plus longue dans l’espace pourrait rendre ces mesures plus nettes.
L’expérience s’inscrit dans un effort plus large de recherche sur les atomes froids. Des laboratoires en Europe et aux États-Unis ont produit des gaz ultrafroids au sol et sur des fusées-sondes, et le Cold Atom Lab de la Station spatiale internationale fonctionne depuis 2018. Le résultat chinois, annoncé comme la matière artificielle la plus froide connue, ajoute une nouvelle référence à cet effort international. Les chercheurs du projet ont déclaré que l’objectif n’est pas un record pour lui-même, mais une plateforme stable pour des expériences répétées.
Pour le lecteur ordinaire, le bénéfice pratique n’est pas immédiat. Les atomes ultrafroids ne devraient pas apparaître de sitôt dans des appareils grand public. Mais les technologies qu’ils permettent — de meilleures horloges pour la navigation, des instruments plus sensibles pour cartographier les structures souterraines et des tests du comportement de la matière à la limite quantique — arrivent généralement discrètement, intégrées à des systèmes qui dépendent déjà d’un chronométrage et d’une détection précis.
L’équipe à l’origine des travaux décrit les prochaines étapes comme l’amélioration de la stabilité du nuage froid et l’allongement du temps d’observation, ce qui permettrait des mesures plus sensibles. À mesure que les expériences quantiques spatiales mûrissent, la question passe de la possibilité d’atteindre de telles températures extrêmes à ce que l’on peut en faire une fois qu’elles seront routinières.