Une équipe de physiciens à Barcelone a créé des gouttelettes liquides 100 millions de fois plus fines que l'eau qui se maintiennent en utilisant d'étranges lois quantiques.
Dans un article publié le 14 décembre dans la revue Science, les chercheurs ont révélé que ces étranges gouttelettes ont émergé dans le monde étrange et microscopique d'un réseau laser - une structure optique utilisée pour manipuler des objets quantiques - dans un laboratoire de l'Institut espagnol de Ciències Fotòniques, ou Institut des sciences photoniques (ICFO). Et c'étaient de vrais liquides: des substances qui maintiennent leur volume indépendamment de la température extérieure et forment des gouttelettes en petites quantités. C'est par opposition aux gaz, qui se propagent pour remplir leurs conteneurs. Mais ils étaient beaucoup moins denses que n'importe quel liquide qui existe dans des circonstances normales, et ont maintenu leur état liquide grâce à un processus connu sous le nom de fluctuation quantique.
Les chercheurs ont refroidi un gaz d'atomes de potassium refroidi à moins 459,67 degrés Fahrenheit (moins 273,15 degrés Celsius), près du zéro absolu. À cette température, les atomes ont formé un condensat de Bose-Einstein. C'est un état de la matière où les atomes froids s'agglutinent et commencent à se chevaucher physiquement. Ces condensats sont intéressants car leurs interactions sont dominées par les lois quantiques, plutôt que par les interactions classiques qui peuvent expliquer le comportement de la plupart des gros volumes de matière.
Lorsque les chercheurs ont poussé deux de ces condensats ensemble, ils ont formé des gouttelettes, se liant ensemble pour remplir un volume défini. Mais contrairement à la plupart des liquides, qui maintiennent leurs formes de gouttelettes ensemble grâce aux interactions électromagnétiques entre les molécules, ces gouttelettes ont maintenu leurs formes grâce à un processus appelé «fluctuation quantique».
La fluctuation quantique émerge du principe d'incertitude de Heisenberg, qui stipule que les particules sont fondamentalement probabilistes - elles ne détiennent pas un niveau d'énergie ou une place dans l'espace, mais sont plutôt étalées sur plusieurs niveaux et emplacements d'énergie possibles. Ces particules "maculées" agissent un peu comme si elles sautaient à travers leurs emplacements et énergies possibles, appliquant une pression sur leurs voisins. Additionnez toutes les pressions de toutes les particules en flux, et vous constaterez qu'elles ont tendance à s'attirer davantage qu'elles ne se repoussent. Cette attraction les lie ensemble en gouttelettes.
Ces nouvelles gouttelettes sont uniques en ce que la fluctuation quantique est l'effet dominant qui les maintient dans leur état liquide. D'autres «fluides quantiques» comme l'hélium liquide démontrent cet effet, mais impliquent également des forces beaucoup plus puissantes qui les lient beaucoup plus étroitement ensemble.
Les gouttelettes de condensats de potassium, cependant, ne sont pas dominées par ces autres forces et ont des particules qui interagissent très faiblement, et se propagent donc dans des espaces beaucoup plus larges - même si elles conservent leurs formes de gouttelettes. Comparé à des gouttelettes d'hélium similaires, écrivent les auteurs, ce liquide est deux ordres de grandeur plus grand et huit ordres de grandeur plus dilué. C'est un gros problème pour les expérimentateurs, écrivent les chercheurs; les gouttelettes de potassium pourraient devenir de bien meilleurs liquides quantiques modèles pour de futures expériences que l'hélium.
Les gouttelettes quantiques ont cependant leurs limites. S'ils ont trop peu d'atomes impliqués, ils s'effondrent et s'évaporent dans l'espace environnant.
