Communique de presse - un element tres instable enfin approvoise

Le groupe d'Optique Atomique du Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique, unité mixte de recherche CNRS¹, dirigé par Alain Aspect et Chris Westbrook, annonce dans le numéro de Science daté du 22 mars 2001, la première obtention d'un condensat de Bose-Einstein d'hélium métastable. A peine plus d'une semaine après l'annonce de cette nouvelle, une autre équipe de chercheurs français, dirigée par Michèle Leduc et Claude Cohen-Tannoudji, travaillant au Laboratoire Kastler-Brossel de l'Ecole Normale Supérieure^*, également unité mixte de recherche CNRS², a pu elle aussi observer cette condensation. Après le rubidium, le sodium, le lithium en 1995, puis l'hydrogène en 1998, c'est donc le cinquième élément pour lequel est obtenue cette nouvelle phase gazeuse de la matière, prévue par Einstein et Bose en 1920, et dont les propriétés découlent directement des principes de base de la mécanique statistique quantique.

La grande originalité de l'hélium métastable est qu'il s'agit ici d'atomes dans un état électronique très excité pouvant libérer une énergie cinquante fois plus grande par unité de masse que les carburants les plus énergétiques. Ces atomes peuvent rester stables très longtemps lorsqu'ils sont isolés, mais se désexcitent instantanément au contact d'une surface, ou d'un autre atome, libérant une énergie 100 milliards de fois plus grande que ce qui serait nécessaire pour déstabiliser le condensat. Pourtant, bien que les atomes interagissent entre eux, cette désexcitation est bloquée dans le piège magnétique utilisé pour ces expériences, car tous les atomes ont leur spin aligné dans la même direction, celle du champ magnétique³.

Les physiciens de l'Institut d'Optique ont tiré parti de cette énergie stockée dans les atomes, pour détecter les atomes un par un. Ceci leur a permis d'observer le phénomène de condensat sans ambiguïté avec un échantillon de quelques milliers d'atomes seulement. Ils pensent que cette nouvelle méthode de détection leur permettra également de réaliser des expériences d'optique quantique atomique, équivalent pour les atomes de l'optique quantique des photons (rappelons que cette discipline a conduit à des réalisations aussi utiles que les lasers et télécommunications par fibre optique, et qu'elle donne toujours lieu à des recherches futuristes, par exemple sur l'information quantique).

Un condensat de Bose-Einstein, où tous les atomes sont décrits par la même fonction d'onde, évoque fortement un laser où tous les photons sont dans le même mode du champ électromagnétique⁴. Cette analogie est d'autant plus fondée que plusieurs groupes dans le monde, dont celui de l'Institut d'Optique, savent aujourd'hui produire, à partir de condensats de Bose-Einstein, des lasers à atomes, où les atomes ont tous exactement la même direction et la même vitesse. Les atomes d'hélium métastable, grâce à leur énergie interne, sont capables de graver leur impact sur une surface, comme les rayons X ou les électrons. Le laser à atomes d'hélium métastable ouvrira-t-il donc la voie à de nouvelles méthodes de nanolithographie pour la microélectronique ? L'expérience a appris aux physiciens qu'il est difficile de prévoir les applications de leurs découvertes. Mais le transistor, le laser, sont là pour nous rappeler que les recherches fondamentales peuvent déboucher à terme sur de réelles applications.

* la publication du groupe de l'ENS vient d'être accepté pour publication à Physical Review Letters. Elle est consultable à l'adresse http://fr.arxiv.org/abs/cond-mat/0103387.

³ Deux atomes d'hélium métastable qui entrent en collision libèrent habituellement leur énergie en produisant un ion, un électron, et un atome d'hélium dans son état fondamental. C'est ce qu'on appelle une collision Penning. Mais si les deux atomes qui entrent en collision ont leur spin (qui vaut 1 pour chacun) alignés, le spin total vaut 2. Or les produits de la collision Penning ne peuvent avoir un spin total supérieur à 1. Dans un piège magnétique, les collisions Penning sont donc interdites par la loi de conservation du spin.