Le temps au prisme de la lumière

Et si la lumière permettait de refroidir la matière, faisant tendre sa température vers le zéro absolu, température la plus basse existante mais inaccessible du fait de ses propriétés quantiques ? Cette question soulève un paradoxe : on connaît la lumière en tant que source de chaleur, pourtant c’est bien grâce à elle que les physiciens vont approcher de très près l’entropie nulle, la totale immobilité et ainsi le zéro  Kelvin.

Refroidir des atomes revient à diminuer leurs mouvements, créateurs d’énergie et donc de chaleur. C’est la thermodynamique qui nous l’a enseigné. Le refroidissement atomique s’effectue grâce au « pompage optique » puis au « refroidissement de Sisyphe ».

La découverte des « atomes froids » a révolutionné la mesure du temps. Le jour sidéral, temps mis par la Terre pour effectuer une rotation complète, a été longtemps la référence mais la découverte des nombreux effets pouvant affecter cette rotation l’a entaché d’imprécision. Depuis la treizième Conférence générale des poids et mesures de 1967, c’est une référence atomique qui est utilisée. La seconde se définit par le comptage des oscillations d’une onde électromagnétique : l’onde qui fait passer l’atome de césium de son niveau d’énergie le plus bas à celui immédiatement supérieur fait 9 192 631 770 oscillations par seconde. Grâce à la manipulation des atomes par la lumière, la mesure du temps est rendue plus précise, limitant les paramètres influençant ces oscillations.

Comment alors la lumière entraîne ce refroidissement atomique ?

Le pompage optique

Les français Alfred Kastler (Prix Nobel de physique en 1966) et Jean Brossel expliquent ce mécanisme.

Bohr a introduit le phénomène de discontinuité de la matière. Un atome n’aurait que des niveaux d’énergie représentés par des valeurs discrètes E1, E2, E3… Chaque atome est caractérisé par une échelle propre de niveaux d’énergie.

Le rayonnement lumineux d’une énergie définie auquel l’atome est soumis, pourra permettre le passage des électrons d’un niveau énergétique à un autre. La lumière interagit avec la matière par un système d’émission et d’absorption de photons : l’atome absorbe un photon pour passer à un niveau énergétique supérieur et il émet un photon en diminuant son niveau énergétique.

Or, il est impossible de connaître le niveau d’énergie des électrons composant le cortège électronique d’un atome. Quand ces électrons sont « en désordre », l’entropie est très importante et les mouvements atomiques sont favorisés. Le pompage optique permet de mettre tous les électrons du cortège électronique au même niveau énergétique E1, E2 ou En.

Figure 1 – Principe du pompage optique. En haut, une assemblée de six atomes est répartie aléatoirement sur les états d’énergie E1 et E2. En bas, après avoir éclairé les atomes avec des photons d’énergie E3−E2, on a accumulé tous les atomes dans l’état d’énergie E1 : le désordre initial a été supprimé.

Considérons une espèce atomique dont l’échelle énergétique possède deux états de basse énergie E1 et E2, dits « stables », et un état de haute énergie E3. Pour mettre tous les atomes au niveau E1, plusieurs étapes sont nécessaires :

• éclairer les atomes avec une lumière polarisée circulairement dont les photons ont pour énergie E3-E2 permet de faire passer tous les atomes du niveau 2 au niveau 3. Ces atomes vont absorber un photon. Les atomes occupant le niveau 1 sont insensibles au rayonnement et restent donc à ce niveau.
• les atomes occupant le niveau 3 ne vont pas rester longtemps sur ce niveau de haute énergie instable : ils vont “retomber” vers le niveau 2 ou 1 en émettant un photon.
• les atomes sont éclairés de nouveau avec la lumière d’énergie E3-E2. Les atomes du niveau 2 vont “remonter” vers le niveau 3 pour retomber vers le niveau 1 ou 2.

Au fur et à mesure de ces éclairages, tous les atomes vont se retrouver au même niveau énergétique E1. Nous avons réussi à diminuer le désordre au sein des atomes.

Le refroidissement de Sisyphe

Après avoir ordonné l’état interne des atomes, la lumière va permettre la diminution de la vitesse du centre de masse des atomes.

L’effet Sisyphe permet de changer l’environnement de l’atome grâce à son éclairage par un laser à une longueur d’onde déterminée : l’atome va « monter et descendre des collines de potentiel ». Cette technique a valu le prix Nobel de physique à Claude Cohen Tannoudji en 1997.

L’atome monte une colonne de potentiel, mais une fois arrivé au sommet, au lieu de descendre l’autre versant, il sera placé au creux d’une vallée en partie à cause du pompage optique. L’atome devra ainsi monter de multiples collines.

Figure 2 – Principe du refroidissement Sisyphe. Dans une onde lumineuse stationnaire, les niveaux d’énergie sont modulés dans l’espace. Il existe des configurations telles que l’atome monte sans cesse des collines de potentiel, le pompage optique le plaçant au fond d’une vallée dès qu’il atteint un sommet. Quand son énergie devient trop faible, l’atome est piégé au fond d’un puits de potentiel.

Cet effet tire son nom du mythe de Sisyphe : ce dernier fut puni par le Juge des Enfers, pour avoir divulgué des secrets divins, à faire rouler un énorme rocher le long d’une colline. « Je vis aussi Sisyphe en proie à ses tourments, soulevant des deux mains un énorme rocher, après s’être arc-bouté des mains comme des pieds, il le poussait en haut d’une colline ; mais allait-il le faire basculer qu’une force le retournait ; et de nouveau la pierre sans pitié dégringolait. Mais lui recommençait. » (Odyssée, Homère, XI, 593-599, traduit par Philippe Jaccottet).

Nos atomes se retrouvent donc dans la même situation que le pauvre Sisyphe mais, contrairement à lui, les atomes ne recommencent pas éternellement cette tâche : leur énergie se dissipe rapidement. Les atomes se sont donc vidés de leur énergie, ils sont immobiles, leur température a chuté, proche du zéro Kelvin ou « repos absolu ». Nous sommes en présence d’ « atomes froids », dont la température est au millionième de Kelvin : 100 millions de fois plus froids que notre environnement !

Vers une meilleure précision temporelle : l’horloge atomique

Outre la prouesse technique, les atomes froids et immobiles autorisent une plus grande précision de la mesure temporelle. Ils permettent en effet de combattre l’effet Doppler  du fait du mouvement des atomes « non refroidis ». L’effet Doppler énonce que la fréquence de l’onde que la source en mouvement émet ou absorbe n’est pas la même que si elle était au repos. Le mouvement aléatoire des atomes constituent ainsi une limite à la précision des horloges : ils vont modifier la fréquence de ces « balanciers atomiques », le nombre d’oscillations et donc la mesure du temps.

Les atomes refroidis sont animés de très peu de mouvements car quasi immobiles, ne sont donc pas soumis à l’effet Doppler néfaste pour la précision de l’horloge atomique.

La lumière a joué un rôle clé dans le passage de la physique classique vers la physique quantique qui peut pleinement se révéler grâce aux atomes froids. Le supercalculateur quantique n’est plus très loin….