Physique quantique : la NASA étudie un cinquième état de la matière dans l’espace

Théorisé dans les années 1920 par le physicien indien Satyendra Nath Bose et Albert Einstein, le condensat de Bose-Einstein a été obtenu expérimentalement pour la première fois en 1995. Il constitue le cinquième état de la matière, après les solides, les liquides, les gaz et les plasmas. Il peut être produit sur Terre, mais il est alors difficile de l’observer de manière prolongée. Depuis 2018, la NASA a placé en orbite, à bord de la Station spatiale internationale (ISS), le laboratoire Cold Atom Laboratory (CAL) afin d’étudier plus facilement la nature de cette matière à l’échelle quantique et de réaliser d’importantes avancées scientifiques.

Rappelons qu’un atome ne se comporte pas uniquement comme une petite bille. En physique quantique, il possède également des propriétés ondulatoires. À température ambiante, les mouvements de ces atomes et leurs interactions rendent ces propriétés difficiles à observer à grande échelle. En revanche, lorsqu’un gaz est refroidi à l’extrême, les ondes associées aux atomes deviennent plus facilement observables.

Placé à 400 kilomètres de la Terre, le CAL, de la taille d’un mini-réfrigérateur, a été spécialement conçu pour refroidir des atomes de potassium ou de rubidium à des températures proches du zéro absolu, soit −273,15 degrés Celsius. Grâce notamment à l’utilisation de lasers, ces atomes parviennent à occuper un même état quantique, comme s’ils formaient un unique objet collectif. Le condensat devient un nouvel état de la matière et les comportements quantiques que l’on observe habituellement à l’échelle microscopique deviennent visibles à une échelle macroscopique.

Cette transformation conduit à la création d’un régime physique distinct, qui permet aux scientifiques d’étudier plus directement les règles de la mécanique quantique. Dans un laboratoire terrestre, les scientifiques sont obligés de confiner les atomes à l’aide de champs magnétiques ou de lasers pour éviter qu’ils ne tombent sous l’effet de la gravité. Ce dispositif peut alors perturber les mesures.

Ce n’est pas le cas à bord de l’ISS, où la microgravité permet aux atomes d’évoluer de manière prolongée sans être aussi fortement contraints par les conditions du confinement. Les expériences de physique quantique étant souvent extrêmement sensibles aux perturbations, il est alors possible de prolonger le temps d’observation pendant plus d’une seconde, au lieu de quelques millisecondes au sol, afin d’étudier leur comportement et leurs interactions.

Des avancées dans le domaine des capteurs quantiques

Le CAL est avant tout une installation destinée à la recherche fondamentale. Elle permet notamment de tester les principes de la relativité d’Einstein et d’explorer des questions relatives à la matière noire et à l’énergie noire. Sur le plan applicatif, elle pourrait contribuer au développement de capteurs quantiques capables de mesurer avec une très grande précision les accélérations, les rotations et les variations du champ gravitationnel.

De multiples applications spatiales sont envisagées. Le laboratoire pourrait permettre de développer des technologies de navigation de haute précision pour des missions spatiales lointaines. Il pourrait aussi faire progresser la compréhension fondamentale de la gravité et du temps, qui sont essentiels aux vols spatiaux de longue durée. Enfin, il pourrait favoriser le développement de systèmes quantiques pour les futures missions d’exploration.

Le CAL a la particularité d’être piloté à distance depuis le Jet Propulsion Laboratory, un centre de recherche de la NASA situé en Californie. Les scientifiques sont ainsi capables de réaliser leurs expérimentations sans avoir à intervenir directement dans le laboratoire installé en orbite.

En mai 2026, la NASA a procédé à des améliorations à l’intérieur du CAL, destinées notamment à produire des condensats de Bose-Einstein cinq fois plus grands que ceux précédemment obtenus. Elles visent aussi à modifier leur forme en trois dimensions grâce à un nouveau piège magnétique, une fonctionnalité absente des versions précédentes. La mise hors service de l’ISS est actuellement programmée à l’horizon 2030.