POUR EN TROUVER des objets les plus froids de l'univers, vous n'avez pas besoin d'aller beaucoup plus loin que votre université locale. Là-bas, un physicien utilise peut-être la lumière laser et des aimants pour refroidir les atomes en dessous d'une température étonnante de –450 Fahrenheit. Ils pourraient utiliser ces atomes ultra-froids pour détecter même les champs magnétiques les plus faibles de la pièce, ou pour construire une horloge précise au quadrillionième de seconde près. Mais ils ne pourraient probablement pas emporter ces capteurs ou horloges en dehors de leur laboratoire, car ils ont tendance à être grands et fragiles.

Aujourd’hui, une équipe de physiciens de l’Université de Nottingham a montré que l’impression 3D de pièces destinées à ces expériences quantiques ultra-froides leur permettait de réduire leur appareil à seulement un tiers de sa taille habituelle. Leurs travaux, publiés dans la revue  Physical Review X Quantum  en août, pourraient ouvrir la porte à un moyen plus rapide et plus accessible de créer des configurations d'expériences personnalisées plus petites, plus stables.

Parce qu’ils obéissent aux règles de la mécanique quantique, les atomes extrêmement froids présentent des comportements nouveaux et utiles. "Les atomes ultrafroids constituent une technologie clé utilisée dans de nombreux instruments de précision", explique John Kitching, physicien au National Institute of Standards and Technology qui n'a pas participé à l'étude.

« Les atomes ultrafroids sont d’excellents capteurs de temps. Ce sont d’excellents capteurs de ce que l’on appelle les forces d’inertie, donc d’accélération et de rotation. Ce sont d'excellents capteurs de champs magnétiques. Et ce sont d'excellents capteurs de vide », ajoute son collègue Stephen Eckel, qui n'a pas non plus participé aux travaux.

Par conséquent, les physiciens cherchent depuis longtemps à utiliser des dispositifs atomiques ultrafroids dans des contextes allant de  l'exploration spatiale , où ils pourraient faciliter la navigation en détectant les changements dans l'accélération d'un véhicule, à l'hydrologie, où ils pourraient localiser les eaux souterraines en détectant leur attraction gravitationnelle au-dessus du sol. Cependant, le processus permettant de refroidir suffisamment les atomes pour accomplir l’une de ces tâches est souvent complexe et ardu. "Ayant passé beaucoup de temps en tant qu'expérimentateur sur les atomes froids, je suis toujours très frustré de passer tout notre temps à résoudre des problèmes techniques", déclare Nathan Cooper, physicien à l'Université de Nottingham et l'un des coauteurs de l'étude.

La clé du refroidissement et du contrôle des atomes consiste à les frapper avec une lumière laser finement réglée. Les atomes chauds se déplacent à des vitesses de plusieurs centaines de kilomètres par heure, tandis que  les atomes extrêmement froids  restent presque immobiles . Les physiciens s'assurent que chaque fois qu'un atome chaud est frappé par un faisceau laser, la lumière le frappe de telle manière que l'atome perd un peu d'énergie, ralentit et devient plus froid. En règle générale, ils travaillent sur une table de 5 pieds sur 8 pieds recouverte d'un labyrinthe de miroirs et de lentilles (des composants optiques) qui guident et manipulent la lumière lors de son voyage vers des millions d'atomes, souvent du rubidium ou du sodium, qui sont conservés dans un espace spécial. chambre à ultravide. Pour contrôler où se trouvent tous les atomes ultrafroids dans cette chambre, les physiciens utilisent des aimants ; leurs champs agissent comme des clôtures.

Comparées aux accélérateurs de particules longs de plusieurs kilomètres ou aux grands télescopes, ces installations expérimentales sont petites. Cependant, ils sont bien trop gros et fragiles pour devenir des appareils commercialisables destinés à être utilisés en dehors des laboratoires universitaires. Les physiciens passent souvent des mois à aligner chaque petit élément de leurs labyrinthes optiques. Même un petit tremblement des miroirs et des lentilles – ce qui est susceptible de se produire sur le terrain – entraînerait des retards de travail importants. "Ce que nous voulions essayer de faire, c'est construire quelque chose qui soit très rapide à réaliser et qui, nous l'espérons, fonctionnera de manière fiable", explique Cooper. Lui et ses collaborateurs se sont donc tournés vers l’impression 3D.

L'expérience de l'équipe de Nottingham n'occupe pas une table entière : elle a un volume de 0,15 mètre cube, ce qui la rend légèrement plus grande qu'une pile de 10 grandes boîtes de pizza. «C'est très, très petit. Nous avons réduit la taille d'environ 70 pour cent par rapport à une configuration conventionnelle », explique Somaya Madkhaly, étudiante diplômée à Nottingham et premier auteur de l'étude. Pour le construire, elle et ses collègues se sont lancés dans quelque chose qui ressemblait à un jeu de Lego très personnalisable. Au lieu d’acheter des pièces, ils ont assemblé leur configuration à partir de blocs qu’ils ont imprimés en 3D pour leur donner la forme exactement comme ils le souhaitaient.

Surtout, la configuration miniaturisée a fonctionné. L’équipe a chargé 200 millions d’atomes de rubidium dans leur chambre à vide et a fait passer la lumière laser à travers tous les composants optiques, faisant entrer la lumière en collision avec les atomes. Les atomes ont formé un échantillon plus froid que –450 degrés Fahrenheit, exactement comme les scientifiques l’ont fait avec des appareils plus conventionnels au cours des 30 dernières années.

« Je pense que construire un système à atomes froids comme celui-ci est une étape énorme. Seuls des composants individuels ont été imprimés en 3D auparavant », explique Aline Dinkelaker, physicienne à l'Institut Leibniz d'astrophysique de Potsdam, qui n'a pas participé à l'étude. Si les expériences précédentes ressemblaient un peu à l'achat d'un kit Lego spécial permettant de construire un vaisseau spatial préconçu, l'approche de l'équipe de Nottingham consistait davantage à concevoir d'abord le vaisseau spatial, puis à imprimer en 3D les blocs qui le composent.

L’un des grands avantages de l’impression 3D est que vous pouvez concevoir chaque composant sur mesure, note Dinkelaker. « Parfois, vous avez juste un petit composant de forme étrange ou un espace de forme étrange. Ici, l’impression 3D peut être une excellente solution », dit-elle.

Lucia Hackermuller, un autre co-auteur de l'article, affirme que fabriquer chaque pièce selon leurs propres spécifications leur a permis d'optimiser. « Nous voulons avoir la meilleure conception possible, et le problème est que nous avons normalement des contraintes de construction », dit-elle. "Mais si vous utilisez des méthodes d'impression 3D, vous pouvez imprimer tout ce à quoi vous pouvez penser." Dans le cadre de ce processus d'optimisation, l'équipe a utilisé un algorithme informatique qu'elle a développé pour trouver le meilleur emplacement pour ses aimants. Ils ont également travaillé sur une dizaine d’itérations de leurs composants imprimés en 3D jusqu’à les peaufiner complètement.

La nouvelle étude constitue un pas en avant pour rendre cet outil de recherche en physique fondamentale plus abordable et plus accessible. "J'espère que cela accélérera - et démocratisera également dans une certaine mesure - les expériences standard sur les atomes ultra-froids en les rendant moins chères et beaucoup plus rapides à mettre en place", a déclaré Cooper. Il suppose que s’il se retrouvait bloqué sur une île déserte avec juste quelques lentilles et miroirs, des atomes de rubidium et une imprimante 3D, il pourrait passer de zéro à un appareil entièrement fonctionnel en un mois environ, soit cinq ou six fois plus vite que d’habitude. Pour Madkhaly, repartir de zéro n’est peut-être pas qu’un scénario imaginaire. Après avoir obtenu son diplôme, dit-elle, elle pourrait retourner dans son pays d'origine, l'Arabie saoudite, et utiliser l'impression 3D pour lancer de nouvelles recherches sur les atomes ultra-froids. «C'est un domaine très nouveau là-bas», ajoute-t-elle.

Kitching envisage également que ces outils soient utilisés en dehors du monde universitaire, par exemple par des entreprises qui fabriquent des capteurs quantiques captant les champs magnétiques ou gravitationnels. Ces entreprises n’emploient peut-être pas de scientifiques formés à la physique quantique, mais cela n’a pas d’importance. Il les imagine mettre en place des chaînes d'assemblage sur lesquelles des techniciens assembleraient les appareils à partir de composants imprimés en 3D. Et si ces appareils étaient suffisamment stables pour fonctionner sans ajustements constants, les employés pourraient toujours les utiliser en toute confiance.

Les dispositifs atomiques ultra-froids commerciaux pourraient, par exemple, être utilisés par des ingénieurs civils, des sociétés pétrolières et gazières, des archéologues ou des volcanologues pour mieux cartographier le terrain souterrain, en se basant sur l'extrême sensibilité des atomes à la gravité. Les atomes ultrafroids pourraient également s’avérer être un ingrédient crucial pour les outils de navigation qui fonctionnent même lorsque  les satellites GPS  sont hors de portée. Les horloges atomiques ultra-froides peuvent être utilisées pour synchroniser les réseaux de transport ou de télécommunication, ou pour sécuriser les transactions financières dans des situations où chaque échange ou transaction nécessite un horodatage très précis.

Hackermueller et ses collègues prévoient également de continuer à optimiser leur configuration existante. « Nous pensons que nous n’avons pas encore pleinement exploité toutes les fonctionnalités de l’impression 3D. Cela signifie que notre installation pourrait être encore plus petite », dit-elle – ils pensent pouvoir la réduire à près de la moitié de sa taille actuelle. Cooper déclare : « Nous allons voir quelles sont les limites de ce que vous pouvez faire avec cela. »