7.1. Le refroidissement Doppler

Il est fondé sur l’effet Doppler. Prenons des atomes dont la fréquence lumineuse de résonance (c’est-à-dire la fréquence des photons qu’ils peuvent absorber et émettre) est notée n₀, avec n₀ = (E_b – E_a)/h pour deux niveaux atomiques adéquats (a) et (b). Supposons qu’un tel atome soit soumis à un rayonnement de fréquence n. Si l’atome se déplace en venant à la rencontre du faisceau lumineux, la fréquence qu’il « percevra » n’est pas n mais supérieure à n, par effet Doppler. De manière analogue, s’il se déplace dans le même sens que le faisceau, la fréquence mesurée par l’atome sera inférieure à n.

D’où le principe du refroidissement Doppler : on soumet un nuage d’atomes à deux faisceaux laser dirigés en opposition, selon l’axe Oz par exemple, en choisissant leur fréquence lumineuse n légèrement en dessous de la résonance, soit n < n₀.

Que se passe-t-il alors ? Les atomes allant vers la droite (V_z > 0) se rapprochent de la situation de résonance avec l’onde laser venant de la droite, et s’éloignent encore plus de la résonance avec l’onde venant de la gauche. Résultat : ces atomes vont absorber préférentiellement des photons venant de droite plutôt que de gauche, donc vont être ralentis. Si les atomes vont vers la gauche (V_z < 0), les rôles des deux faisceaux sont échangés, et les atomes sont également freinés. En première approximation, la force selon Oz subie par les atomes est, en valeur algébrique, de la forme

Cette force proportionnelle à la vitesse est analogue à une force de friction. En disposant une paire de faisceaux laser pour chacune des trois directions de l’espace, on obtient ainsi une « mélasse optique » qui ralentit les atomes ; leur agitation thermique, en particulier, diminue, et l’on peut de cette manière atteindre des températures de l’ordre de 100 microkelvins (10^–4 K).

7.2. Le refroidissement Sisyphe

En fait, les expériences menées en 1987-1988 ont montré que les températures atteintes pouvaient être encore plus basses que la limite théorique du refroidissement Doppler. En cherchant à comprendre pourquoi, les physiciens ont mis en évidence d’autres mécanismes de refroidissement à l’œuvre. Sans entrer dans les détails, il est possible d’en donner une image simple.

Première idée, celle des « déplacements lumineux » : l’expérience comme la théorie montrent que le niveau d’énergie d’un atome soumis à une onde lumineuse dépend de l’intensité, de la polarisation et de la fréquence de l’onde (ces déplacements d’énergie résultent de l’interaction entre le dipôle électrique de l’atome et le champ électromagnétique de l’onde). Dans un champ électromagnétique, l’énergie potentielle (dite dipolaire) de l’atome varie donc selon sa position, en général.

Deuxième idée : le niveau d’énergie fondamental, occupé au départ par un atome, n’est d’ordinaire pas unique, mais est constitué de plusieurs sous-niveaux. En présence d’un champ, ces sous-niveaux ont des énergies légèrement différentes. Par conséquent, le paysage d’énergie potentielle dipolaire dépend du sous-niveau dans lequel se trouve l’atome.

Troisième idée : lorsque la lumière a une fréquence proche de la résonance (fréquence correspondant à une transition vers un niveau supérieur), l’atome peut passer de l’un de ces sous-niveaux à un autre par un cycle absorption-émission d’un photon. C’est ce qu’on appelle le pompage optique, prédit par Alfred Kastler dès 1949.

Ce qui précède peut être mis à profit pour ralentir l’atome dans un piège optique. Dans une mélasse optique, l’énergie potentielle dipolaire a une allure de « tôle ondulée », car les faisceaux laser opposés interfèrent et créent une onde stationnaire. Autrement dit, l’atome voit une succession périodique de creux et de collines d’énergie potentielle dipolaire. Selon où il se trouve et sa vitesse, l’atome va donc accélérer en se dirigeant vers un creux, ou ralentir en gravissant une colline.

Or ce relief de creux et de collines dépend du sous-niveau dans lequel il se trouve. Supposons que l’atome soit dans un sous-niveau donné et qu’il escalade une colline de potentiel. Son énergie cinétique diminue jusqu’à ce qu’il parvienne au sommet de la colline. Supposons qu’à ce moment, un cycle absorption-émission le fasse passer sur un autre sous-niveau, pour lequel le relief d’énergie potentielle est décalé dans l’espace, de telle façon que l’atome se retrouve dans un creux de ce nouveau potentiel (voir l’animation ci-dessous). Résultat : après avoir atteint le sommet d’une colline du premier potentiel, l’atome se voit obligé d’escalader une autre colline, liée au deuxième potentiel. Si le processus se répète, l’atome est ralenti considérablement car il a devant lui à chaque fois une colline à gravir qui lui fait perdre de l’énergie cinétique.

Ce mécanisme de ralentissement ou refroidissement a été dénommé effet Sisyphe, par analogie avec la situation du héros de la mythologie grecque condamné à pousser éternellement un rocher vers le sommet d’une montagne, rocher qui retombe dans la vallée aussitôt le sommet atteint. Le refroidissement Sisyphe s’arrête au moment où l’atome n’a plus assez d’énergie pour escalader la colline suivante. L’atome se retrouve ainsi piégé au bas d’une vallée. L’effet Sisyphe permet d’atteindre des températures environ cent fois plus basses que le refroidissement Doppler : de l’ordre du microkelvin (10^–6 K).

7.3. Le refroidissement subrecul

Le refroidissement Sisyphe a nécessairement une limite, due au recul subi par un atome qui absorbe ou émet un photon : la température minimale est limitée par l’agitation correspondant à la vitesse de recul. Il existe cependant un moyen de descendre en dessous de cette limite ; c’est le refroidissement dit subrecul, méthode mise au point à partir de 1988 à l’ENS.

Dans cette technique, il ne s’agit pas de contrôler la vitesse des atomes en les faisant absorber ou émettre des photons. Au contraire, il s’agit en quelque sorte de laisser intacts les atomes immobiles. On choisit une fréquence de transition atomique et une configuration de faisceaux laser telles que l’atome cesse d’interagir avec la lumière dès lors que sa vitesse est nulle. Résultat : les atomes immobiles restent immobiles, tandis que d’autres rejoignent cet état en acquérant une vitesse nulle à un instant donné, au hasard de leurs pérégrinations. Le nombre d’atomes immobiles augmente donc petit à petit. En théorie, le refroidissement subrecul permet (après refroidissement préalable par effets Doppler et Sisyphe) d’atteindre une température aussi basse que l’on veut. Mais cela suppose des dispositifs expérimentaux parfaits, ce qui n’est jamais le cas. En pratique, on atteint l’échelle du nanokelvin (10^–9 K), soit le milliardième de degré au-dessus du zéro absolu.