Les physiciens savent produire des gaz à quelques milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu. Les méthodes de refroidissement s'appliquent non seulement aux atomes mais aussi aux ions et aux molécules. Ce domaine de recherche a été couronné deux fois par le prix Nobel.

Il s'est extraordinairement enrichi depuis que l'on sait faire varier à volonté les interactions entre les particules et piéger celles-ci avec des pinces optiques ou dans des réseaux optiques à la géométrie ajustable. On édifie ainsi des cristaux artificiels formés d'atomes ou de molécules qui peuvent simuler la structure de la matière et élucider certaines de ses propriétés magnétiques, avec la perspective d'expliquer un jour la supraconductivité à haute température.

Le phénomène d'intrication quantique est à la base de nouveaux dispositifs pour le stockage et la transmission de l'information quantique.

Des progrès spectaculaires sont constamment enregistrés en métrologie. Ainsi des horloges à atomes ou à ions ultrafroids mesurent le temps à mieux qu'une seconde sur la durée de l'Univers. Des gravimètres et gyromètres industriels d'un type nouveau améliorent la sensibilité de la sismologie et la navigation dans l'espace.

En outre, l'extrême précision des mesures permet de tester les lois fondamentales de la physique, par exemple l'électrodynamique quantique, l'invariance de Lorentz ou les éventuelles variations des constantes fondamentales. Le domaine des particules ultrafroides rejoint aujourd'hui ceux de la matière condensée, de la chimie et même de la cosmologie.

Robin Kaiser est directeur de recherche CNRS à l'Institut de physique de Nice à l'université de la Côte d'Azur.

Michèle Leduc est directrice de recherche CNRS émérite au Laboratoire Kastler-Brossel à l'École normale supérieure à Paris.

Hélène Perrin est directrice de recherche au Laboratoire de physique des lasers à l'université Sorbonne Paris Nord.

Atomes, ions, molécules ultrafroids et technologies quantiques

Physicists know how to produce gases at a few billionths of a degree above absolute zero. The cooling methods apply not only to atoms but also to ions and molecules. This field of research has three times been awarded the Nobel Prize. The field experienced remarkable growth when experimentalists learned how to vary at will the interactions between particles, trapping them with optical tweezers or in optical gratings with adjustable geometry. Artificial crystals made of atoms or molecules can be built to simulate the structure of matter and elucidate some of its magnetic properties, hopefully contributing to the understanding of high-temperature superconductivity. The phenomenon of quantum entanglement is the basis for new devices for the storage and transmission of quantum information. Spectacular progress is constantly being made in metrology. For example, ultra-cold atom or ion clocks measure time to better than one second over the lifetime of the Universe. New types of industrial gravimeters and gyroscopes are improving the sensitivity of seismology and navigation in space. In addition, the extreme precision of the measurements allows tests of the fundamental laws of physics, such as quantum electrodynamics, Lorentz invariance or possible variations of the fundamental constants. The field of ultra-cold particles has now reached the stage where it provides insights in the fields of condensed matter, chemistry and even cosmology.

Ultra-cold atoms, ions, molecules and quantum technologies

Depuis l'Antiquité, la nature du temps a fasciné nombre de grands penseurs. Cet ouvrage expose ce que la physique est capable de dire aujourd'hui sur le sujet. La mesure du temps, ou plus exactement celle d'une durée, se fait grâce à des horloges atomiques dont l'exactitude peut atteindre une seconde sur plusieurs milliards d'années. Nous décrivons la façon dont s'effectue le transfert du temps qui permet la synchronisation d'horloges en différents points de la Terre ou de l'espace au milliardième de seconde près, ou même mieux. Les relativités, restreinte et générale, ont bouleversé notre conception du temps et ont un impact considérable sur certains problèmes de la vie quotidienne comme l'utilisation du GPS. On abandonne l'idée d'un temps absolu, le temps devient multiple et insaisissable, et peut-être même une illusion. Enfin la flèche du temps, ou l'irréversibilité, implique que les phénomènes physiques se déroulent toujours dans un sens déterminé, en relation avec la croissance de l'entropie. Cependant il est possible dans certaines conditions d'échapper à cette contrainte et de construire un temps réversible grâce aux miroirs à retournement temporel, dont nous décrivons les nombreuses applications pratiques.

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