Liquide d'ions : comment un piège a révélé la transition vers le gaz
Dans la chambre sombre du piège, des milliers de particules chargées dansent sous l'effet des champs électriques. Au début, elles se déplacent librement, comme une foule sur une place, mais dès qu'on refroidit le nuage, la danse ralentit : les ions commencent à se sentir mutuellement, leurs pas deviennent contraints. À un moment donné, le mouvement se fige complètement et le nuage se transforme en une sorte de liquide, où chaque particule oscille sur place sans pouvoir s'éloigner. Cette transition du gaz au liquide a été observée directement pour la première fois, en mesurant les vitesses de tous les ions simultanément.
Pendant longtemps, la phase liquide des nuages d'ions n'existait que dans les simulations informatiques. Les expérimentateurs savaient créer un gaz raréfié, où les ions interagissent à peine, et un cristal, où ils s'alignent en un réseau rigide. L'état intermédiaire, semblable à un liquide, échappait à l'observation : pour le capturer, il fallait mesurer les vitesses de milliers de particules en un instant, sans détruire le nuage. L'équipe du Technion a résolu ce problème en construisant un piège à huit électrodes et un détecteur de vitesses qui projette les ions sur un écran luminescent.
L'astuce clé de l'expérience est que le champ d'extraction est uniforme : il décale toutes les vitesses de la même manière, sans en déformer la dispersion. Les physiciens ont refroidi des ions d'ytterbium-174 au laser, puis ont laissé le nuage se réchauffer pendant des durées allant d'une milliseconde à près de huit secondes. Après chaque intervalle, ils prenaient un « instantané » : ils éjectaient les ions dans le détecteur et obtenaient une carte des vitesses. La largeur de cette carte permettait de juger de l'intensité des interactions entre les ions.
Dans les nuages chauds, les ions se déplaçaient indépendamment, comme un gaz, avec une fréquence d'oscillation d'environ 6,3 kilohertz, ce qui signifie qu'un ion effectue six mille oscillations complètes par seconde. En refroidissant, la répulsion mutuelle ralentissait le mouvement et la fréquence diminuait. Aux températures les plus basses, elle tombait à zéro : les ions restaient piégés sur place, ne conservant qu'un frémissement collectif. C'est la naissance du liquide. La transition s'est produite pour un paramètre de couplage Γ = 0,6(1), alors que les simulations prédisent généralement Γ ≈ 2. Autrement dit, le liquide apparaît plus tôt qu'on ne le pensait.
De plus, les auteurs ont trouvé un seuil de densité : lors du chauffage au-delà de 510 millisecondes, l'exposant de la loi de puissance de la vitesse de croissance de la température passait de 0,485(4) à 0,316(2). Cela signifie qu'en dessous du seuil, la densité est presque constante, tandis qu'au-dessus, le nuage se dilate comme un gaz. Cette danse, qui commençait comme le mouvement libre d'une foule, se termine par la dispersion des particules qui perdent tout lien entre elles.
La fréquence d'oscillation des ions dans le piège est d'environ 6 kilohertz, c'est-à-dire qu'un ion effectue six mille oscillations complètes par seconde. À la température la plus basse, cette fréquence tombe à zéro : les ions se figent littéralement sur place, bien que la température ne soit pas encore égale au zéro absolu.
Dans le roman d'Arthur C. Clarke « Rendez-vous avec Rama », on décrit des nuages denses de particules chargées qui se comportent comme un liquide. Les expériences avec des pièges à ions rapprochent une telle exotique de la réalité de laboratoire.