La station spatiale chinoise refroidit des atomes à 9,7 picokelvins, un record de froid

Un nuage d’atomes de rubidium à bord de la station spatiale chinoise Tiangong a été refroidi à moins de dix billionièmes de degré au-dessus du zéro absolu, la température la plus basse jamais rapportée pour un gaz d’atomes. C’est environ quatre fois plus froid que le meilleur résultat obtenu jusque-là, sur Terre comme en orbite.

Ce record importe moins par son chiffre que par ce qu’il rend possible. À cette température, les atomes se dispersent si lentement que l’équipe a pu observer le nuage pendant sept secondes après l’avoir libéré, une fenêtre suffisamment longue pour étudier la gravité, les comportements quantiques et peut-être la matière noire avec une précision inaccessible à tout laboratoire terrestre.

Les atomes ont formé un condensat de Bose-Einstein, un état de la matière dans lequel des milliers d’atomes perdent leur individualité et se comportent comme une seule onde quantique. Des chercheurs de l’université de Pékin, de l’Institut d’optique et de mécanique fine de Shanghai et du Centre de technologie et d’ingénierie pour l’utilisation de l’espace de l’Académie chinoise des sciences ont mené l’expérience dans le bâti de physique des atomes froids du module-laboratoire Mengtian de la station, et l’ont décrite dans la revue Science.

Le nuage comptait 20 000 atomes de rubidium-87. Sa température équivalente a été établie à 9,7 picokelvins, avec une incertitude comprise entre 7,0 et 12,9 picokelvins. Le précédent plus bas niveau pour un système de ce type était de 38 picokelvins, tandis que le Cold Atom Lab de la NASA, sur la Station spatiale internationale, avait atteint 52 picokelvins.

Comment un laboratoire de dix tonnes a été concentré dans un bâti de station

Refroidir des atomes consiste à les ralentir. L’équipe a piégé le rubidium à l’aide de faisceaux laser croisés, un dispositif appelé piège dipolaire optique, puis a réduit progressivement la puissance du laser afin de laisser s’échapper les atomes les plus énergétiques. Il s’agit du refroidissement par évaporation, le même principe qui refroidit une tasse de café lorsque les molécules les plus chaudes s’échappent sous forme de vapeur.

En micropesanteur, cette astuce fonctionne moins bien, car les atomes ne se déposent plus vers le fond du piège, là où se trouve la voie d’échappement. Les chercheurs ont ajouté un faible gradient magnétique afin de guider l’évaporation et d’obtenir un condensat. Une étape finale, une expansion soudaine et non adiabatique du piège, a ensuite encore ralenti les atomes.

Tous les précédents records de ce type reposaient sur des pièges magnétiques construits sur des puces à atomes. Les lasers sont plus difficiles à faire fonctionner en orbite, mais ils sont moins sensibles aux interférences magnétiques, offrent davantage d’espace pour l’accès optique et peuvent retenir des atomes qui ne réagissent pas du tout aux champs magnétiques. « Le défi d’ingénierie consistait à concentrer plusieurs technologies de pointe tout en respectant les exigences strictes du secteur aérospatial », a déclaré Li Tang, chercheur à l’institut de Shanghai, selon Xinhua.

La version terrestre de l’expérience occupe environ 20 mètres cubes et pèse près de 10 tonnes. Le bâti embarqué occupe 0,7 mètre cube et pèse une demi-tonne ; son système à ultravide, ses lasers à fibre de forte puissance et son optique stabilisée en fréquence fonctionnent automatiquement, sous de fortes contraintes de consommation électrique.

Des centaines de milliards de fois plus froid que l’espace profond

Le zéro absolu, soit moins 273,15 degrés Celsius, est le point auquel le mouvement atomique s’arrêterait entièrement. L’espace vide n’est pas aussi froid : la faible lueur rémanente du Big Bang le maintient à environ 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Mesuré sur l’échelle Kelvin, le nuage de Tiangong était environ 280 milliards de fois plus froid que cela.

Le précédent meilleur résultat, 38 picokelvins, provenait d’une équipe allemande qui avait fait tomber une expérience sur puce à atomes dans la tour de chute de Brême afin d’obtenir quelques secondes d’apesanteur. Les tours de chute finissent par manquer de hauteur. Une station en orbite est en chute libre permanente, ce qui permet à l’expérience de se poursuivre aussi longtemps que les atomes restent cohérents.

C’est sur la durée d’observation que l’écart se creuse le plus. Les expériences au sol peuvent suivre un nuage libéré pendant environ 0,05 seconde avant qu’il ne tombe hors de leur champ de vision, la Station spatiale internationale atteint environ une seconde, et la station chinoise parvient désormais à sept secondes, selon l’équipe. « Sur Terre, il tomberait d’environ 250 mètres ; il s’écraserait donc au sol à moins de disposer d’une chambre à vide haute de 250 mètres », a déclaré Wolfgang Ketterle, le physicien du MIT qui a partagé le prix Nobel pour la création de condensats de Bose-Einstein, à la chaîne chinoise CGTN.

Ce que signifie, et ne signifie pas, la température équivalente

Les 9,7 picokelvins ne constituent pas une lecture de thermomètre. Les chercheurs les déduisent de la lenteur avec laquelle le nuage se dilate après avoir été libéré, en convertissant cette vitesse d’expansion en la température dont un gaz aurait besoin pour se déplacer aussi lentement. Ce chiffre ne décrit que les atomes : les chercheurs soulignent que l’équipement et son environnement ne se sont jamais approchés de cette température.

La marge d’erreur est large, de l’ordre de 30 % de part et d’autre, et le résultat provient d’une seule installation, sans avoir encore été reproduit de manière indépendante. Les comparaisons avec les anciens records mêlent aussi les méthodes : tours de chute, puces magnétiques et, désormais, pièges laser atteignent leurs résultats au moyen de techniques de confinement et de refroidissement final différentes ; l’écart constitue donc un repère, non un classement précis.

Le nuage est également petit. Vingt mille atomes suffisent pour obtenir un condensat net, mais les instruments de précision gagnent en sensibilité avec des échantillons plus grands. La question d’ingénierie encore ouverte est de savoir si le système peut fournir à la fois davantage d’atomes et une longue cohérence de manière régulière.

Pourquoi sept secondes comptent davantage que le record

Un interféromètre atomique divise l’onde quantique de chaque atome en deux trajectoires avant de les recombiner, transformant de minuscules différences d’accélération en un signal mesurable. Sa sensibilité augmente avec le carré du temps que les atomes y passent. « Les interféromètres atomiques tirent un grand bénéfice de sources fournissant un grand nombre d’atomes dans un ensemble ultrafroid et de longues durées d’observation », a déclaré Ernst Rasel, physicien à l’université Leibniz de Hanovre, dans des propos relayés par CGTN.

De tels instruments pourraient cartographier le champ gravitationnel terrestre depuis l’orbite et vérifier si des objets de compositions différentes tombent réellement à la même vitesse, l’un des piliers de la relativité d’Einstein. Les pièges laser peuvent aussi être façonnés en réseaux optiques, des grilles de lumière qui maintiennent les atomes comme dans un cristal et permettent aux physiciens de simuler des matériaux difficiles à étudier directement. « Plus longtemps nous pouvons observer, plus nous avons de chances de découvrir des phénomènes physiques nouveaux et plus ténus », a déclaré Xiong Wei, de l’université de Pékin et co-premier auteur de l’article, selon Xinhua.

Questions fréquentes sur la température la plus froide jamais enregistrée

Quelle est la température la plus froide jamais enregistrée ?

Pour un gaz d’atomes, la température équivalente la plus basse rapportée à ce jour est de 9,7 picokelvins, atteinte à bord de la station spatiale chinoise Tiangong. Cela correspond à 9,7 billionièmes de degré au-dessus du zéro absolu. Le précédent record était de 38 picokelvins.

Qu’est-ce qu’un condensat de Bose-Einstein ?

C’est un état de la matière qui se forme lorsqu’un gaz de certains atomes est refroidi près du zéro absolu. Les atomes se retrouvent dans le même état quantique et agissent comme une seule onde, ce qui rend les effets quantiques visibles à une échelle suffisamment grande pour être photographiée.

Pourquoi les expériences sur les atomes froids fonctionnent-elles mieux dans l’espace ?

Sur Terre, la gravité attire les atomes hors des pièges faibles et fait tomber un nuage libéré en une fraction de seconde. En orbite, les atomes flottent ; le piège peut donc être plus doux, ce qui les refroidit davantage, et le nuage peut être observé pendant plusieurs secondes.

Peut-on atteindre le zéro absolu ?

Non. Les lois de la thermodynamique interdisent d’atteindre exactement zéro kelvin ; les expériences ne peuvent donc que s’en approcher toujours davantage. Chaque étape vers le bas devient plus difficile, raison pour laquelle passer de 38 à moins de 10 picokelvins constitue un bond important.

Un laboratoire en orbite ouvert aux équipes extérieures

Le bâti pour atomes froids a été envoyé avec le module Mengtian en 2022, à l’issue d’un projet dont les premières études de faisabilité avaient débuté en 2011, et le record a été publié en ligne dans Science le 5 novembre 2026. Rasel considère que l’étape suivante sera celle d’interféromètres en orbite maintenant les atomes séparés de façon cohérente pendant plusieurs secondes. Lyu Congmin, concepteur en chef du système d’applications spatiales du programme spatial habité chinois, a indiqué que le bâti est ouvert aux scientifiques du monde entier souhaitant y mener leurs propres expériences.

Référence : Xiong et al., « Quantum gases below 10 picokelvin in space, » Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

Étiquettes: physique, physique quantique, Académie chinoise des sciences, condensat de Bose-Einstein, Mengtian, Tiangong