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Gouttes de mécanique quantique

03.01.2018

Une équipe de physiciens de l'Institut des sciences photoniques (ICFO) de Barcelone, en Espagne, a créé des gouttelettes liquides 100 millions de fois plus petites que les gouttelettes d'eau ordinaires et qui obéissent aux lois de l'étrange mécanique quantique. Les gouttelettes ont été créées aux nœuds d'un piège à réseau optique de faisceaux laser, et même à une échelle aussi microscopique, elles ont montré toutes les propriétés de base des gouttelettes liquides - conservant leur forme et leur volume quelle que soit la température. Cependant, les gouttelettes de ce liquide quantique étaient beaucoup plus denses que toutes les autres gouttelettes de liquide existant dans des conditions normales.

Afin de créer des gouttelettes de liquide quantique, des scientifiques espagnols ont refroidi un gaz composé d'atomes de potassium à une température de -273,15 degrés Celsius. À cette température, les atomes ont formé un condensat de Bose-Einstein, un état de la matière dans lequel tous ses atomes sont synchronisés les uns avec les autres au niveau quantique, grâce auquel l'ensemble du condensat se comporte comme un gros atome, soumis uniquement aux lois de la physique quantique.

Lorsque les chercheurs ont combiné deux condensats indépendants, ils ont formé des gouttelettes d'un liquide quantique. Les scientifiques ont réussi à faire quelque chose de similaire auparavant, la substance de ces gouttelettes était reliée par les forces des interactions électromagnétiques entre les molécules. En revanche, les gouttelettes obtenues par les scientifiques espagnols ont conservé leur forme grâce au phénomène de "fluctuations quantiques".

Les fluctuations quantiques sont une conséquence du principe d'incertitude de Heisenberg, selon lequel les particules quantiques n'ont pas de paramètres strictement définis. Leurs paramètres tels que le niveau d'énergie, la position et l'orientation dans l'espace ne peuvent être décrits qu'en termes de probabilité. Et si nous prenons ces probabilités de la position actuelle des particules quantiques, des vitesses et des directions de leur mouvement, nous pouvons calculer l'ampleur de leurs interactions, qui se manifeste sous forme de pression. Mais le plus intéressant est que si nous ajoutons la force et le vecteur de pression de toutes les particules quantiques, alors un fait inhabituel sera révélé, les particules s'attirent plus qu'elles ne se repoussent. Et c'est précisément grâce à cette attraction qu'ils se lient en gouttelettes d'un liquide quantique qui peuvent conserver leur forme.

Des mesures effectuées par des scientifiques ont montré que les gouttelettes d'un liquide quantique d'atomes de potassium sont plus liquides que les gouttelettes d'un liquide superfluide ordinaire, l'hélium liquide par exemple. En termes d'indice d'écoulement et d'autres paramètres de base inhérents aux liquides, un liquide quantique surpasse tout liquide superfluide de deux à huit ordres de grandeur, ce qui ouvre de nombreuses opportunités aux physiciens pour mener des expériences à l'aide d'un liquide quantique.

Cependant, les gouttelettes de liquide quantique ont certaines limites qui limitent leurs applications. Par exemple, si le nombre d'atomes dans une gouttelette dépasse une certaine valeur, la gouttelette s'effondre et le liquide quantique se transforme en gaz, qui a tendance à remplir tout l'espace disponible, comme toute autre substance gazeuse.

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