Vers 1925, Albert Einstein, en approfondissant une idée du physicien indien Satyendranath Bose, avait prédit que dans un gaz d’atomes identiques et sans interactions mutuelles, un étonnant phénomène devait se produire à basse température si la densité est suffisamment grande. D’après Einstein, si la longueur d’onde de De Broglie des atomes devenait du même ordre que les distances interatomiques (cette longueur d’onde est généralement beaucoup plus petite), alors une fraction importante des atomes devrait s'accumuler dans l’état fondamental de l'enceinte qui contient les atomes, c’est-à-dire dans le même état quantique d’énergie minimale. Cette « condensation » ne concerne pas n’importe quelles particules, mais uniquement les bosons, c’est-à-dire les particules dont le spin — le moment cinétique intrinsèque — est un multiple entier de la constante de Planck réduite h/(2p). Les autres particules, les fermions, dont le spin est demi-entier, ne peuvent subir la « condensation de Bose-Einstein » : un principe fondamental de la physique quantique, le « principe d’exclusion de Pauli », interdit à deux fermions identiques d’occuper le même état.

L’idée de la condensation de Bose-Einstein resta longtemps dans les tiroirs. La prédiction d’Einstein ne fut reconsidérée que vers 1937, avec la découverte de la superfluidité de l’hélium à très basse température. Fritz London proposa l’existence d’un lien entre ce phénomène et la condensation de Bose-Einstein, ce qui est le point de départ des théories actuelles sur la superfluidité. Mais il y a des différences importantes. Ainsi, dans le cas de l’hélium superfluide, la proportion d’atomes condensés dans l’état fondamental est faible (de l’ordre de 10 % au plus, même à une température arbitrairement basse), en raison des interactions entre les atomes qui jouent ici un rôle essentiel. Une situation à certains égards plus proche d’un condensat de Bose-Einstein est celle de la lumière laser : dans un faisceau laser, tous les photons se trouvent dans le même état quantique (même énergie, même direction, même fréquence, même phase, etc.), et c’est ce qui confère à la lumière laser ses propriétés si particulières.

Le sujet a connu un regain d’intérêt avec l’avènement des techniques de piégeage et de refroidissement d’atomes par laser. Grâce aux très basses températures (et donc aux grandes longueurs d’onde de De Broglie) atteintes, les chercheurs avaient bon espoir d’obtenir enfin la condensation de Bose-Einstein; celà pour des densités suffisamment basses pour que les interactions mutuelles entre atomes ne masquent pas l’effet de condensation. Effectivement, en 1995, une équipe américaine du Colorado, dirigée par Eric Cornell et Carl Wieman, est parvenue à obtenir pendant quelques secondes un condensat de Bose-Einstein ; il était constitué de quelques milliers d’atomes de rubidium prérefroidis par laser, puis refroidis plus avant par « évaporation » dans un piège magnétique.

Des expériences du même type ont été réalisées depuis par de nombreusess équipes de physiciens, et la condensation de Bose-Einstein a été également observée avec des atomes de sodium (équipe du MIT), de lithium (équipe de Houston), d’hydrogène (équipe du MIT).

Ce nouvel état de la matière que représentent les condensats atomiques offre plusieurs voies à explorer. L’une d’elles est évidemment l’étude des propriétés physiques (par exemple l’équivalent de la superfluidité observée dans l’hélium liquide) des condensats. Une autre est la réalisation de lasers à atomes, c’est-à-dire d’instruments capables de délivrer un faisceau d’atomes se trouvant tous dans le même état, à l’instar des photons d’un rayon laser. Cela rendrait de grands services à l’optique et l’interférométrie atomiques, à la chimie (étude de réactions entre deux faisceaux atomiques dans des conditions très bien définies et contrôlées, condensats de molécules, etc.). Plusieurs équipes de physiciens sont parvenues, dès 1997, à produire un effet laser avec des atomes, le principe étant de former d’abord un condensat puis d’extraire par un moyen adéquat une partie des atomes condensés. Mais beaucoup de chemin reste à parcourir avant d’arriver à des flux atomiques d’intensité et de durée appréciables...