La NASA présente pour la première fois dans l’espace un capteur quantique « ultra-cool »

Le laboratoire d’atomes froids de la NASA, une installation unique en son genre à bord de la Station spatiale internationale, a franchi une nouvelle étape dans la révolution de la façon dont la science quantique peut être utilisée dans l’espace. Les membres de l’équipe scientifique ont mesuré les vibrations subtiles de la station spatiale avec l’un des outils embarqués du laboratoire. C’est la première fois que des atomes ultra-froids sont utilisés pour détecter des changements dans l’environnement dans l’espace.

L’étude, parue dans Nature Communications le 13 août, rapporte également la plus longue démonstration de la nature ondulatoire des atomes en chute libre dans l’espace.

L’équipe scientifique du Cold Atom Lab a effectué ses mesures à l’aide d’un outil quantique appelé interféromètre atomique, qui permet de mesurer avec précision la gravité, les champs magnétiques et d’autres forces. Les scientifiques et les ingénieurs sur Terre utilisent cet outil pour étudier la nature fondamentale de la gravité et faire progresser les technologies qui facilitent la navigation des avions et des navires. (Les téléphones portables, les transistors et le GPS ne sont que quelques-unes des autres technologies majeures basées sur la science quantique, mais qui n’impliquent pas l’interférométrie atomique.)

Les physiciens ont hâte d’appliquer l’interférométrie atomique dans l’espace car la microgravité y permet des temps de mesure plus longs et une plus grande sensibilité des instruments, mais l’équipement extrêmement sensible a été considéré comme trop fragile pour fonctionner pendant des périodes prolongées sans assistance. Le Cold Atom Lab, qui est exploité à distance depuis la Terre, vient de montrer que c’est possible.

« Atteindre ce cap a été un défi incroyable, et notre succès n’a pas toujours été garanti », a déclaré Jason Williams, scientifique du projet Cold Atom Lab au Jet Propulsion Laboratory de la NASA en Californie du Sud. « Il a fallu du dévouement et un sens de l’aventure à l’équipe pour y parvenir. »

Le pouvoir de la précision

Les capteurs spatiaux capables de mesurer la gravité avec une grande précision ont un large éventail d’applications potentielles. Ils pourraient par exemple révéler la composition des planètes et des lunes de notre système solaire, car les différents matériaux ont des densités différentes qui créent de subtiles variations de gravité.

Ce type de mesure est déjà réalisé par la collaboration germano-américaine GRACE-FO (Gravity Recovery and Climate Experiment Follow-on), qui détecte de légers changements de gravité pour suivre le mouvement de l’eau et de la glace sur Terre. Un interféromètre atomique pourrait apporter une précision et une stabilité supplémentaires, révélant plus de détails sur les changements de masse à la surface.

Des mesures précises de la gravité pourraient également nous éclairer sur la nature de la matière noire et de l’énergie noire, deux grands mystères cosmologiques. La matière noire est une substance invisible cinq fois plus répandue dans l’univers que la matière « ordinaire » qui compose les planètes, les étoiles et tout ce que nous pouvons voir. L’énergie noire est le nom donné au moteur inconnu de l’expansion accélérée de l’univers.

« L’interférométrie atomique pourrait également être utilisée pour tester la théorie de la relativité générale d’Einstein de nouvelles façons », a déclaré Cass Sackett, professeur à l’Université de Virginie, chercheur principal du Cold Atom Lab et co-auteur de la nouvelle étude. « C’est la théorie de base qui explique la structure à grande échelle de notre univers, et nous savons que certains aspects de cette théorie nous sont incompris. Cette technologie pourrait nous aider à combler ces lacunes et à nous donner une image plus complète de la réalité dans laquelle nous vivons. »

Un laboratoire portable

De la taille d’un mini-frigo, le Cold Atom Lab a été lancé à bord de la station spatiale en 2018 dans le but de faire progresser la science quantique en plaçant une installation à long terme dans l’environnement de microgravité de l’orbite terrestre basse. Le laboratoire refroidit les atomes jusqu’à presque le zéro absolu, soit moins 459 degrés Fahrenheit (moins 273 degrés Celsius).

À cette température, certains atomes peuvent former un condensat de Bose-Einstein, un état de la matière dans lequel tous les atomes partagent essentiellement la même identité quantique. En conséquence, certaines des propriétés quantiques typiquement microscopiques des atomes deviennent macroscopiques, ce qui les rend plus faciles à étudier.

Les propriétés quantiques incluent parfois des comportements de particules solides et parfois des ondes. Les scientifiques ne savent pas comment ces éléments constitutifs de toute matière peuvent passer d’un comportement physique aussi différent, mais ils utilisent la technologie quantique comme celle disponible au Cold Atom Lab pour trouver des réponses.

En microgravité, les condensats de Bose-Einstein peuvent atteindre des températures plus froides et exister plus longtemps, ce qui offre aux scientifiques davantage de possibilités de les étudier. L’interféromètre atomique fait partie des nombreux outils de l’installation qui permettent d’effectuer des mesures de précision en exploitant la nature quantique des atomes.

En raison de son comportement ondulatoire, un atome peut parcourir simultanément deux chemins physiquement distincts. Si la gravité ou d’autres forces agissent sur ces ondes, les scientifiques peuvent mesurer cette influence en observant comment les ondes se recombinent et interagissent.

« Je m’attends à ce que l’interférométrie atomique basée dans l’espace conduise à de nouvelles découvertes passionnantes et à des technologies quantiques fantastiques ayant un impact sur la vie quotidienne, et nous transporte dans un avenir quantique », a déclaré Nick Bigelow, professeur à l’Université de Rochester à New York et chercheur principal du Cold Atom Lab pour un consortium de scientifiques américains et allemands qui ont co-écrit l’étude.