Des chercheurs ont mis au point le premier réfrigérateur fonctionnel permettant d’amener des molécules à des températures ultrabasses. Ces molécules peuvent être d’excellentes candidates au fonctionnement d’ordinateurs et simulateurs quantiques.
Cette percée, qui a fait lobjet dune publication dans la revue Nature, a résulté dune collaboration entre lInstitut de technologie du Massachusetts (MIT) et lUniversité Harvard au Centre datomes ultrafroids. Lun des auteurs, Alan Jamison, maintenant professeur à lInstitut dinformatique quantique (IQC) de lUniversité de Waterloo, a déclaré que ce résultat échappait aux chercheurs depuis des années.
Les molécules de sodium-lithium utilisées dans cette expérience sont idéales pour la simulation de matériaux quantiques et les calculs quantiques quand elles sont ultrafroides entre un millionième et un milliardième de degré au-dessus du zéro absolu. Ces basses températures aident à amplifier les effets quantiques et les rendent plus faciles à maîtriser.
Alors que les physiciens réussissent depuis longtemps à refroidir des atomes individuels à de telles températures, les molécules ont résisté jusquà maintenant à ces efforts.
« Les molécules de sodium-lithium sont bien différentes des autres molécules sur lesquelles les scientifiques ont fait des essais », a déclaré M. Jamison, professeur adjoint au Département de physique et d’astronomie de la Faculté des sciences. « Plusieurs s’attendaient à ce que ces différences rendent le refroidissement encore plus difficile. Mais nous avions le sentiment qu’elles pouvaient constituer un avantage plutôt qu’un inconvénient. » [traduction]
Les chercheurs ont utilisé une méthode, dite de refroidissement sympathique, qui consiste à utiliser un type d’atome facile à refroidir pour en refroidir un autre plus difficile. Cette méthode fonctionne comme un réfrigérateur : de nombreuses particules plus froides enlèvent de la chaleur de l’échantillon cible.
Le principal obstacle au refroidissement de molécules par cette méthode réside dans le fait que les particules doivent échanger de l’énergie par le truchement de « bonnes » interactions sans se détruire mutuellement par de « mauvaises » interactions telles que des réactions chimiques. À cause de leur complexité, les molécules ont tendance à avoir des collisions destructrices avec des atomes.
À l’aide d’atomes de sodium préparés dans un état quantique particulier, les chercheurs ont réussi à refroidir des molécules de sodium-lithium jusqu’à 200 nanokelvins, soit 200 milliardièmes de degré.
« Ce résultat nous amène à revoir nos anciennes hypothèses à propos des atomes et molécules qui peuvent constituer de bons systèmes de réfrigération » [traduction], dit M. Jamison.
De futures expériences pourront exploiter cette technique pour amener des molécules de sodium-lithium à des températures encore plus basses, où elles pourront servir à simuler des matériaux quantiques exotiques.
L’article intitulé Collisional cooling of ultracold molecules (Refroidissement collisionnel de molécules ultrafroides) a été publié le 8 avril 2020 dans la revue Nature.