nanokelvin

Un nanokelvin (nK) est un milliardième de kelvin, soit 10−9 K. Il exprime des températures si éloignées de la portée pratique du zéro absolu que le terme apparaît rarement dans les travaux normaux; au lieu de cela, il marque la limite de ce que la physique expérimentale peut atteindre. Aux échelles du nanokelvin, la matière entre dans des régimes où les effets quantiques dominent complètement: des condensats de Bose-Einstein se forment, la superfluidité se produit et les atomes se comportent comme une entité quantique unique plutôt que comme des particules distinctes.

Le nanokelvin n'est pas une unité pratique pour la mesure ou le contrôle industriel. Aucun four, aucune installation cryogénique ou laboratoire standard ne peut maintenir un échantillon à des températures nanokelvin pendant une durée utile. Au lieu de cela, l'unité existe pour décrire les réalisations en physique atomique et en métrologie de précision. Le refroidissement laser et le refroidissement par évaporation dans des pièges magnéto-optiques peuvent amener des nuages d'atomes alcalins ou d'autres espèces dans la gamme du microkelvin, voire du nanokelvin, généralement dans des contextes de recherche sur des appareils spécialisés coûtant des millions de dollars.

Contexte et défis de mesure

Les températures dans la gamme du nanokelvin sont mesurées indirectement. Un chercheur ne peut pas placer un thermomètre en contact avec l'échantillon; au lieu de cela, il déduit la température de la distribution de vitesse des atomes, de la largeur des distributions d'impulsion après imagerie par temps de vol, ou du taux de décroissance des oscillations collectives. La précision dépend entièrement des méthodes optiques et informatiques utilisées pour résoudre le mouvement atomique.

Le préfixe SI nano- (10−9) suit la convention standard, plaçant le nanokelvin aux côtés d'autres unités à l'échelle nanométrique telles que le nanomètre et la nanoseconde. Cependant, d'autres unités de très basse température apparaissent plus souvent dans la recherche publiée: le microkelvin (10−6 K) est plus couramment atteint et rapporté. Le picokelvin (10−12 K) et le femtokelvin (10−15 K) sont des constructions théoriques sans réalisation physique connue.

Les travaux à l'échelle du nanokelvin apparaissent dans la recherche fondamentale sur les gaz quantiques, les tests de précision des horloges atomiques et les études de phases quantiques exotiques. Les températures sont si basses que l'énergie thermique devient négligeable par rapport à l'énergie de point zéro quantique, rendant le comportement quantique observable à des échelles macroscopiques. Toute application nécessitant la mesure ou le contrôle de la température spécifierait plutôt des millikelvins ou des microkelvins; le nanokelvin sert de repère d'une réalisation expérimentale extrême plutôt que de paramètre de fonctionnement.