À bord de Tiangong, des chercheurs chinois ont atteint un froid jamais vu dans l’espace

Des chercheurs chinois ont réussi à refroidir des atomes à seulement 10 picokelvins au-dessus du zéro absolu, à bord de la station spatiale Tiangong, un seuil qui n’avait jamais été franchi dans l’espace.

Dix picokelvins au-dessus du zéro absolu : le seuil inédit franchi en orbite

Pour comprendre l’ampleur de la performance, il faut d’abord se figurer ce que représente un picokelvin, une température extrêmement proche du zéro absolu.

L’équipe à l’origine de ces travaux, publiés dans la revue Science, a mesuré une température équivalente de 9,7 picokelvins, avec une marge d’incertitude comprise entre 7,0 et 12,9 picokelvins. Ce résultat pulvérise littéralement le précédent record spatial, établi à 38 picokelvins grâce à une tour de chute libre.

Une autre expérience, menée au Laboratoire des atomes froids de la Station spatiale internationale, avait atteint 52 picokelvins en combinant piégeage magnétique et effet de lentille gravitationnelle. Le nouveau record chinois se révèle donc quatre fois plus froid que la meilleure performance précédente.

À ces températures, les atomes de rubidium utilisés dans l’expérience ne se comportent plus comme de simples particules. Ils forment un condensat de Bose-Einstein, une sorte de nuage quantique où toutes les particules se synchronisent et se comportent comme une seule et même onde.

Pourquoi la microgravité change toutes les règles du refroidissement atomique

Sur Terre, refroidir des atomes à des températures aussi extrêmes se heurte à un obstacle incontournable : la gravité. Elle fait s’affaisser les atomes dans leur piège, un peu comme des billes qui finiraient toujours par rouler vers le fond d’un bol.

Pour contourner ce problème, les physiciens ont longtemps utilisé la lévitation magnétique. Elle permet effectivement de maintenir les atomes en suspension, mais elle impose une contrainte gênante : tous les atomes doivent partager le même état de spin interne, ce qui limite la souplesse des expériences.

Les pièges optiques, qui reposent sur des faisceaux laser, offrent un contrôle bien plus précis. Jusqu’à cette étude, ils n’avaient toutefois jamais permis de produire directement un condensat en microgravité. C’est précisément cette limite que l’équipe chinoise vient de faire sauter.

L’intérêt de l’espace ne se limite pas à l’absence de gravité. Il permet surtout d’observer les atomes sur des durées bien plus longues, sans être contraint par les quelques secondes de chute libre disponibles dans une tour expérimentale au sol.

Des lasers chinois font tomber le précédent record de froid spatial

Concrètement, l’équipe a commencé par refroidir environ 20 000 atomes de rubidium grâce à une combinaison de refroidissement laser et de refroidissement par évaporation, une technique qui élimine progressivement les atomes les plus énergétiques du groupe.

Ce processus s’est déroulé dans un piège optique à double étage, renforcé par un gradient de champ magnétique qui a amélioré la qualité du refroidissement initial. Résultat : un condensat moins sensible aux perturbations magnétiques environnantes.

Les chercheurs ont ensuite transféré les atomes vers un piège optique plus large, en affaiblissant volontairement son confinement. Cette étape a permis de réduire l’énergie d’expansion du nuage d’atomes, condition indispensable pour atteindre des températures aussi basses.

La mesure finale s’est appuyée sur l’observation de l’expansion du nuage en trois dimensions, pendant une durée de 7 secondes. C’est bien plus long que les 2 secondes obtenues en tour de chute libre, ou que la seule seconde mesurée à bord de la Station spatiale internationale.

Les auteurs pensent d’ailleurs pouvoir descendre encore plus bas grâce aux pièges à dipôles optiques, qui utilisent des faisceaux laser focalisés pour maintenir en place des atomes neutres et des particules microscopiques, sans les contraintes du piégeage magnétique classique.

Les perspectives ouvertes par ce dispositif dépassent largement la simple course au record. L’équipe évoque notamment la possibilité d’étudier des phases quantiques exotiques, comme la désintégration de l’ordre du liquide de Tomonaga-Luttinger ou les propriétés des phases de verre de Bose. Un second objectif, tout aussi ambitieux, consisterait à construire un interféromètre atomique de Mach-Zehnder spatial, capable de tester avec une précision inédite des principes fondamentaux de la physique, comme le principe d’équivalence. De quoi transformer Tiangong en un véritable laboratoire de physique quantique en orbite.