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Actualités scientiques
Illustration du bandeau : © CNRS Photothèque/CEMES - Cornelis Van Der Beek (LSI)
Les atomes magnétiques forment leur
condensat de Bose-Einstein en deux étapes.
Mai 2012
Obtenus à très basse température, un condensat de Bose-Einstein est un état de la
matière dans lequel tous les atomes se regroupent dans une même onde quantique.
Des physiciens du Laboratoire de Physique des Lasers (CNRS / Univ. Paris 13) ont
observé pour la première fois l’existence de deux étapes lors de cette condensation
pour des atomes magnétiques : l’apparition d’une condensation partielle dans un
état magnétisé, puis la condensation de l’ensemble des atomes dans un état non
magnétisé. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review
Letters. Il permet d’aborder sous un nouvel œil le rôle des interactions à longue
portée entre atomes dans les relations entre magnétisme et superuidité.
Les physiciens du Laboratoire de Physique des Lasers ont refroidi à très basse
température des atomes de chrome en contrôlant de manière très précise le champ
magnétique dans lequel ceux-ci étaient placés. Ces atomes de chrome ont un spin
3, et par conséquent, leur état fondamental est composé de 7 sous niveaux dont
l’écart d’énergie est d’autant plus faible que le champ magnétique est faible. En
outre, la nature magnétique de ces atomes conduit à l’existence d’interactions
magnétiques à longue portée entre eux. Les chercheurs ont étudié le comportement
d’un nuage formé d’atomes de chrome à champ magnétique B très faible et à des
températures T situées autour de la température critique de condensation (de 100
nK à 1 µK). Lorsque le champ magnétique dépasse une valeur critique de l’ordre
de 100 nT, l’aimantation de tous les atomes du gaz s’aligne avec le champ et l’on
observe une condensation dans un état à un seul composant. En revanche, pour
des valeurs inférieures au champ magnétique critique, l’interaction entre atomes
prend le dessus : il se produit une dépolarisation spontanée du condensat comme
le révèle l’analyse résolue en spin du gaz après sa libération du piège optique.
L’expérience développée permet alors de suivre la « trajectoire » du système
dans son diagramme de phase. Le système initialement formé d’un mélange «
quasi-Boltzmannien » d’états magnétiques condense en partie dans un seul état
magnétique, puis une seconde transition correspond à l’entrée dans une nouvelle
phase pour laquelle tous les états de spin sont condensés et l’aimantation plus
faible.
Thermodynamics of a Bose-Einstein Condensate with Free
Magnetization, B. Pasquiou, E. Maréchal, L. Vernac, O. Gorceix et B.
Laburthe-Tolra, Phys. Rev. Lett.,108, 045307 (2012)
En savoir plus
Olivier Gorceix, enseignant-chercheur
Contact chercheur
•Laboratoire de physique des lasers, UMR 7538
CNRS - Univ. Paris 13
Informations complémentaires
Un exemple de dépolarisation du condensat.
Les lignes continues marquent les limites des trois phases accessibles. Les
histogrammes donnent des exemples de populations relatives mesurées dans
ces phases. Dans la phase A, les 7 sous-niveaux de spin sont non-dégénérés ;
les populations sont données par des distributions de Bose « quasi-Boltzman-
niennes ». Dans la phase B, l’état de spin M=-3 est condensé et les autres états
obéissent aux lois précédentes. Dans la phase C, tous les états sont condensés.
Les lignes pointillées représentent deux trajectoires dans l’espace des phases.
L’une au-dessus du seuil en B montre qu’en refroidissant le système tend vers
un condensat ferromagnétique. L’autre, au-dessous du seuil, montre qu’alors
le système évolue vers une phase non ferromagnétique et qu’il subit deux
transitions de phase. La température de la première transition est abaissée
par la libération du degré de liberté de spin ; les triangles noirs sont des points
expérimentaux.
Diagramme de phase du condensat atomique.