La Chine annonce un record de refroidissement atomique à 9,7 picokelvins à bord de sa station spatiale

Un nuage d’atomes juste au-dessus du zéro absolu

Des scientifiques chinois ont refroidi un nuage d’atomes de rubidium à bord du module laboratoire Mengtian de la station spatiale chinoise jusqu’à une température équivalente de 9,7 picokelvins, indique l’équipe de recherche, tout en observant son expansion pendant sept secondes. Ce résultat associe une température exceptionnellement basse à une longue durée d’observation, deux conditions qui pourraient aider les scientifiques à mesurer la gravité et à étudier plus précisément les comportements quantiques.

Le Centre de technologie et d’ingénierie pour l’utilisation de l’espace de l’Académie chinoise des sciences a annoncé cette avancée le 6 novembre 2026. L’étude, intitulée « Gaz quantiques sous les 10 picokelvins dans l’espace », a été publiée en ligne dans Science. Le centre a dirigé le projet avec l’université de Pékin et l’Institut d’optique et de mécanique fine de Shanghai.

L’équipe présente ce résultat comme un record de la matière artificielle la plus froide. La valeur de 9,7 picokelvins représente environ le quart des 38 picokelvins atteints par une équipe de l’université de Brême en 2021, et moins d’un cinquième des 52 picokelvins obtenus par le Cold Atom Laboratory de la NASA à bord de la Station spatiale internationale en 2022.

Un picokelvin équivaut à un billionième de kelvin. La nouvelle valeur correspond donc à 0,0000000000097 kelvin au-dessus du zéro absolu, température équivalant à moins 273,15 degrés Celsius. Les scientifiques calculent cette température équivalente à partir de l’expansion extrêmement lente des atomes libérés. Elle décrit le mouvement de ce minuscule nuage atomique à l’intérieur de l’appareil.

À environ 400 kilomètres au-dessus de la Terre, l’expérience tire parti de la microgravité de la station pour réduire les forces qui retiennent les atomes et les suivre plus longtemps que ne le permettrait un laboratoire compact au sol.

Ce que les scientifiques entendent par refroidir des atomes

Les atomes de rubidium se déplacent normalement dans de nombreuses directions, à des vitesses différentes. Le refroidissement réduit l’agitation aléatoire au sein d’un groupe d’atomes. À des températures extrêmement basses et à des densités adaptées, ils peuvent former un condensat de Bose-Einstein, un état dans lequel de nombreux atomes partagent un même état quantique et se comportent collectivement.

Un condensat fournit aux chercheurs un système plus vaste et contrôlable pour étudier des effets généralement associés à des particules individuelles. Au lieu de tenter de suivre un atome parmi des mouvements rapides, les scientifiques peuvent préparer un nuage organisé, modifier son environnement et mesurer sa réaction.

La température équivalente de l’expérience est déduite de la lenteur avec laquelle le nuage se disperse après sa libération. Un nuage dont les atomes ont très peu de mouvement relatif se dilate extrêmement lentement. Observer cette expansion aide les chercheurs à déterminer l’énergie associée au mouvement.

Les lois de la thermodynamique rendent le zéro absolu inaccessible. L’objectif pratique consiste à réduire suffisamment l’agitation atomique pour révéler des effets faibles et maintenir plus longtemps des conditions expérimentales utiles. Dans cette expérience, les sept secondes d’observation constituent une part essentielle de l’avancée.

Pourquoi sept secondes comptent dans l’espace

La gravité terrestre pose deux problèmes liés aux expériences de refroidissement. Elle attire les atomes vers le bas lorsque les chercheurs affaiblissent leur piège et limite la durée pendant laquelle un nuage libéré peut rester dans la chambre d’observation. Un piège moins puissant facilite le refroidissement, mais retient aussi moins bien les atomes face à la gravité.

La station spatiale et les éléments de son laboratoire tombent ensemble autour de la Terre. Il en résulte une microgravité qui permet aux atomes de rester près de l’appareil avec un confinement beaucoup plus faible. Les scientifiques peuvent alors les refroidir davantage et observer leur expansion plus longtemps.

Wolfgang Ketterle, professeur de physique au Massachusetts Institute of Technology et lauréat du prix Nobel de physique 2001, a expliqué l’ampleur du problème pour une expérience de sept secondes sur Terre :

Sur Terre, il tomberait d’environ 250 mètres et s’écraserait donc au sol, à moins de disposer d’une chambre à vide de 250 mètres de haut.

Le laboratoire en orbite offre cette possibilité d’observation prolongée dans un instrument compact. Des chercheurs au sol commandent à distance ses équipements et utilisent des contrôles automatisés pour exécuter la séquence de refroidissement minutée avec précision.

Comment la lumière laser devient un piège atomique

L’instrument contient environ 5 grammes de rubidium métallique, sa réserve d’atomes. La séquence commence par le chauffage du métal pour libérer de la vapeur. Des lasers et des champs magnétiques capturent ensuite les atomes de cette vapeur et les refroidissent une première fois, avant que l’équipe ne les transfère dans des pièges formés par la lumière laser.

Les chercheurs utilisent deux étapes de pièges optiques croisés. Dans un piège optique, des faisceaux laser disposés avec soin exercent des forces qui maintiennent les atomes dans une petite région. Réduire l’intensité lumineuse rend le piège moins profond et permet aux atomes les plus énergétiques de s’échapper. Les atomes restants ont en moyenne moins d’énergie : ce processus est appelé refroidissement par évaporation.

La dernière étape fait appel à une expansion non adiabatique, une modification contrôlée du confinement qui laisse le nuage se dilater et réduit encore l’agitation associée à sa température effective. Ensemble, ces étapes ont fait passer le nuage de rubidium sous les 10 picokelvins.

La microgravité a aussi posé une difficulté technique : l’évaporation dans un piège optique est devenue moins efficace. L’équipe a mis au point une méthode recourant à un gradient magnétique supplémentaire, c’est-à-dire un champ magnétique dont l’intensité varie dans l’espace, pour faciliter le processus et produire un condensat très pur.

Le piège optique reste l’outil central des étapes avancées de refroidissement, tandis que les champs magnétiques contribuent à certaines phases de la préparation. La coordination de ces fonctions exige un contrôle précis de l’intensité des lasers, du minutage et des perturbations environnantes.

Une autre approche que celle de la Station spatiale internationale

Le Cold Atom Laboratory de la NASA a utilisé des pièges magnétiques formés à l’aide d’une puce atomique, une évaporation par radiofréquence et une technique de refroidissement finale faisant intervenir une brève impulsion. L’équipe chinoise a plutôt opté pour le confinement optique, l’évaporation contrôlée par l’intensité lumineuse et un refroidissement poussé par expansion.

Les chercheurs estiment que les pièges optiques offrent une souplesse utile pour de futures expériences et réduisent la sensibilité aux interférences magnétiques pendant le confinement. Plusieurs faisceaux laser peuvent aussi créer des structures utiles à la simulation quantique, dans laquelle un système atomique contrôlable reproduit certaines caractéristiques d’un autre système physique.

Les records précédents offrent deux points de comparaison. Le résultat de 38 picokelvins obtenu à Brême en 2021 a été rendu possible par une tour de chute, qui a créé une brève période de microgravité. L’expérience menée à bord de la Station spatiale internationale a atteint 52 picokelvins en 2022. Les 9,7 picokelvins annoncés par la Chine sont environ 3,9 fois inférieurs à la valeur de Brême et environ 5,4 fois inférieurs au précédent résultat en orbite.

La nouvelle expérience associe son résultat de température à sept secondes d’observation de l’expansion. Pour les chercheurs qui préparent des expériences de haute précision, un nuage qui reste lent et observable plus longtemps peut être plus utile qu’un record de température à lui seul.

Du laboratoire au sol à une armoire en orbite

L’appareil au sol occupait environ 20 mètres cubes et pesait près de 10 tonnes. Les descriptions techniques évaluent l’armoire intégrée pour l’orbite à environ 0,7 mètre cube et 500 kilogrammes. L’annonce du centre fournit aussi une description de moins d’un mètre cube, d’environ 300 kilogrammes et d’une consommation proche de 700 watts ; l’écart entre les masses indiquées n’a pas été expliqué.

Selon les chiffres techniques détaillés, le système orbital occupe environ un vingt-neuvième du volume de l’installation au sol et pèse un vingtième de sa masse. Cette réduction a nécessité de faire fonctionner ensemble lasers, optique de précision, équipement à vide et commandes électroniques dans un espace très restreint.

Les concepteurs ont utilisé des liaisons par fibre optique pour le système laser, un contrôle précis des lasers, un ultravide, des composants électroniques automatisés et une isolation contre les vibrations. Le vide réduit les collisions avec des particules gazeuses indésirables, tandis que l’isolation limite les perturbations mécaniques susceptibles de déstabiliser le délicat nuage.

L’armoire est également modulaire. Les chercheurs peuvent choisir les modules expérimentaux et les séquences de minutage adaptés à différentes études, ce qui permet à la même plateforme de servir plusieurs types de recherche quantique plutôt qu’une seule démonstration de refroidissement.

Une avancée décisive avant le lancement

Le projet a fait l’objet d’une première évaluation en 2011, bien avant que l’appareil n’atteigne l’orbite. Une difficulté majeure est apparue vers la fin de 2021, lorsque l’équipe a échoué à plusieurs reprises à produire le condensat de Bose-Einstein nécessaire aux étapes ultérieures de refroidissement.

Les concepteurs ont obtenu dix jours supplémentaires pour résoudre le problème, avant qu’une décision soit prise sur l’inclusion de l’instrument dans le vol prévu. Ils ont testé et ajusté les composants matériels et logiciels de l’ensemble du système. Le condensat est finalement apparu aux premières heures du 8 janvier 2022, franchissant une étape clé sur la voie du lancement.

Les principales étapes du projet s’étalent sur plus d’une décennie :

• 2011 : début de l’évaluation initiale de l’expérience sur les atomes ultrafroids à bord de la station spatiale.
• Fin 2021 : les difficultés à produire un condensat menacent l’inclusion de l’instrument dans le vol prévu.
• 8 janvier 2022 : l’équipe produit le condensat nécessaire après un intense travail de diagnostic et de résolution des problèmes.
• 2022 : l’installation rejoint la station spatiale à bord du module laboratoire Mengtian.
• 6 novembre 2026 : le résultat de 9,7 picokelvins est annoncé et l’étude paraît en ligne dans Science.

Le professeur Zhou Xiaoji de l’université de Pékin et Chen Weibiao, chercheur à l’Institut d’optique et de mécanique fine de Shanghai, figuraient parmi les auteurs correspondants de l’étude. Li Tang, de l’institut de Shanghai, ainsi que Xiong Wei et Jin Shengjie, de l’université de Pékin, figurent parmi les chercheurs désignés comme premiers auteurs ex æquo.

Des mesures plus longues pourraient révéler des effets plus faibles

Les interféromètres atomiques comptent parmi les instruments qui pourraient tirer parti de cette nouvelle plateforme. Ils utilisent les propriétés ondulatoires des atomes : les ondes atomiques sont séparées puis recombinées, et le motif obtenu révèle des effets tels que l’accélération ou la gravité.

Ernst M. Rasel, professeur de physique à l’université Leibniz de Hanovre, en Allemagne, a décrit les conditions dont ces instruments ont besoin :

Les interféromètres atomiques tirent grandement parti de sources qui fournissent un grand nombre d’atomes dans un ensemble ultrafroid et de longues durées d’observation.

Rasel a expliqué que la sensibilité d’un interféromètre augmente avec le carré du temps que les atomes passent dans l’instrument. Si les autres conditions restent inchangées, doubler cette durée peut multiplier par quatre la réponse à l’effet mesuré. Une observation prolongée est donc particulièrement précieuse pour détecter des signaux très faibles.

La prochaine étape qu’il a évoquée est la réalisation d’un interféromètre orbital dans lequel les ondes atomiques resteraient séparées de façon cohérente pendant plusieurs secondes. La cohérence consiste à préserver la relation entre les ondes afin qu’elles puissent produire une mesure utile lorsqu’elles sont recombinées. Les sept secondes d’observation du nuage constituent un point de départ pour développer cette capacité.

Les chercheurs envisagent des applications pour cartographier le champ gravitationnel terrestre, la navigation et la détermination des orbites des satellites. De meilleures mesures de la gravité pourraient aussi aider à suivre l’évolution des glaciers et des courants océaniques, car les déplacements d’eau et de glace modifient la répartition de la masse terrestre.

Une plateforme pour les expériences quantiques

Le système optique pourrait permettre de créer des réseaux optiques, des motifs de lumière laser qui maintiennent les atomes dans des configurations ressemblant à un cristal. En modifiant la configuration et les interactions, les chercheurs peuvent étudier le comportement de collections de particules dans des conditions contrôlées.

Chen Weibiao a cité les transitions de phase quantiques, le comportement de nombreuses particules quantiques en interaction et les tests de théories physiques fondamentales parmi les domaines de recherche possibles. Le projet mentionne également, parmi les pistes envisagées, des simulations liées à l’Univers primordial, des recherches sur la matière noire ultralégère et des études portant sur les modèles de Higgs.

Il s’agit d’expériences envisagées qui nécessiteront leurs propres dispositifs et mesures. L’avancée immédiate consiste à produire une source d’atomes extrêmement lents et à disposer d’une période prolongée pour les étudier. Les chercheurs voient aussi des applications possibles pour les capteurs quantiques et les horloges atomiques dans l’espace.

Lü Congmin, concepteur en chef du système d’application spatiale du programme spatial habité chinois et directeur adjoint du centre d’utilisation de l’espace, a invité des chercheurs du monde entier à mener des expériences dans l’installation et à partager les possibilités expérimentales. Aucun calendrier de candidature ni aucune date pour les expériences de suivi envisagées n’ont été annoncés.

Ketterle a décrit cette avancée comme « un excellent point de départ pour faire progresser la thermométrie atomique et les mesures de précision ». La thermométrie atomique, qui consiste à mesurer la température dans des systèmes atomiques, restera elle-même essentielle pour comprendre et améliorer ce type d’expérience.

Points clés

• L’équipe de la station spatiale chinoise indique avoir refroidi un nuage d’atomes de rubidium jusqu’à une température équivalente de 9,7 picokelvins et observé son expansion pendant sept secondes.
• L’expérience a eu lieu dans le module laboratoire Mengtian, avec une installation lancée en 2022.
• La température annoncée est inférieure aux 38 picokelvins atteints à Brême en 2021 et aux 52 picokelvins obtenus à bord de la Station spatiale internationale en 2022.
• La séquence de refroidissement associe piégeage optique, refroidissement par évaporation assisté par un gradient magnétique et expansion non adiabatique.
• Les recherches à venir pourraient porter sur les simulations quantiques, les interféromètres atomiques, la mesure de la gravité et les tests de la physique fondamentale.