Un condensat de Bose-Einstein "chaud"
Une équipe de chercheurs de l’EPFL [1] a réussi à obtenir un condensat de Bose-Einstein en refroidissant un polariton excitonique à 19K, la plus haute température à laquelle ce phénomène ait jamais été observé.
Un tel condensat concerne les bosons [2], des particules qui ont tendance à toutes occuper le même état [3]. D’ordinaire, l’agitation provoquée par la température les empêche d’être tous dans le même état, mais si l’on parvient à les refroidir suffisamment, alors on observe un nouvel état de la matière où les particules sont superposées les unes sur les autres : c’est le condensat de Bose-Einstein, phénomène typique du monde quantique. Le premier fut obtenu en 1995 en refroidissant des atomes de rubidium (Ru) avec des lasers.
Les atomes étant des objets relativement lourds, la moindre agitation thermique leur confère une énergie assez grande ; il a donc été nécessaire de refroidir les atomes de rubidium jusqu’à 170nK pour observer le condensat. Les chercheurs de l’EPFL ont quant à eux, utilisé des bosons beaucoup plus légers.
En excitant convenablement un semiconducteur [4], un électron est promu dans la bande de conduction, laissant dans la bande de valence un vide appelé "trou" et agissant comme une particule de charge positive. La paire électron-trou constitue un système avec ses propres niveaux d’énergie, appelé exciton. L’équipe de l’EPFL a installé un semi-conducteur bidimensionnel (puits quantique) dans une microcavité, résonnateur de Fabry-Pérot constitué de deux miroirs de Bragg (voir Fig.1). Dans un tel résonnateur, les photons adoptent tous la même fréquence, imposée par la distance entre les deux miroirs. En choississant la bonne géométrie, le couplage entre les excitons du semiconducteur et le mode optique bidimensionnels de la microcavité peut devenir très fort, et donner naissance à de nouveaux niveaux d’énergie, appelés polaritons excitoniques ; de telles quasi-particules sont des bosons. Leur recombinaison se fait en émettant des photons, dont l’énergie et la direction permettent de remonter aux propriétés des bosons.
Fig.1 - Le puits quantique installé dans la microcavité.
Un exciton (paire électron-trou) est fortement couplé au mode optique de la microcavité, donnant naissance à une quasi-particule appelée polariton excitonique.
Etant un milliard de fois plus légers que les atomes de rubidium, les polaritons ont pu être refroidis avec des moyens plus conventionnels que le refroidissement à laser : ici, seuls azote et helium liquides ont été nécessaires pour atteindre 19K. A cette température, les vitesses des polaritons étaient quasiment nulles, et des mesures de corrélation spatiale ont confirmé que l’état de condensat était bien atteint. La réussite de cette expérience va permettre d’explorer les propriétés quantiques, encore mal connues, des condensats de Bose-Einstein, et peut-être un jour d’en trouver des applications technologiques.
Références :
[1] J. Kasprzak et Al., Nature 443, pp.409-414 (2006) - lien vers l’abstract
[2] Le résumé sur le site de l’EPFL
[1] Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, en Suisse.
[2] Particules de spin entier, dont l’occupation des états d’énergie répond à la statistique de Bose-Einstein : le nombre de particules occupant un état d’énergie 
s’écrit
/kT)-1))
où 
est le degré de dégénérescence de l’état, µ le potentiel chimique, k la constante de Boltzmann, et T la température. Lorsque cette dernière s’approche de zéro, alors on voit que toutes les particules tendent à occuper le même état, celui de plus basse énergie.
[3] A l’inverse des fermions (particules de spin demi-entier, comme l’électron), qui s’excluent mutuellement et ne peuvent occuper le même état.
[4] Voir notre article Propriétés électroniques des matériaux.
