Une équipe internationale de physiciens de l’Amherst College et de l’Université Aalto a créé le skyrmion de Shankar, une quasi-particule constituée d’une configuration nouée de moments magnétiques atomiques, ou spins. Les physiciens théoriques ont prédit l’existence du skyrmion de Shankar il y a plus de quarante ans, mais c’est la première fois qu’une telle quasi-particule est observée dans une expérience. Publié dans le journal Science Advancesles résultats de l’équipe pourraient inspirer de nouveaux moyens de maintenir le plasma intact dans une boule stable dans les réacteurs de fusion.
Impression artistique de l’éclairage d’une boule quantique. Crédit photo : Heikka Valja.
“Notre compréhension de ces skyrmions a évolué pendant plusieurs années, et il nous a fallu presque autant de temps pour trouver des moyens accessibles de communiquer nos résultats à la communauté scientifique au sens large”, a déclaré le co-auteur principal, le professeur David Hall, de l’Amherst College.
“Il est remarquable que nous ayons pu créer le nœud électromagnétique synthétique – c’est-à-dire la foudre en boule quantique – essentiellement avec seulement deux courants électriques en contre-courant”, a ajouté le coauteur principal, le Dr Mikko Möttönen, de l’Université d’Aalto.
“Ainsi, il est possible qu’un éclairage en boule naturel puisse survenir lors d’un coup de foudre normal”.
Les physiciens ont créé l’environnement du skyrmion après avoir refroidi un gaz d’atomes de rubidium à des dizaines de milliardièmes de degrés au-dessus du zéro absolu dans un réfrigérateur atomique de leur laboratoire.
“L’expérience est conceptuellement simple, mais le phénomène est à la fois beau et remarquablement complexe”, a noté le professeur Hall.
“Le gaz quantique est refroidi à une très basse température où il forme un condensat de Bose-Einstein : tous les atomes du gaz se retrouvent dans l’état d’énergie minimale. L’état ne se comporte plus comme un gaz ordinaire mais comme un seul atome géant.”
Pour créer le skyrmion, les physiciens ont ensuite appliqué un champ magnétique sur mesure au gaz surfondu, ce qui a influencé l’orientation des moments magnétiques des atomes qui le composent.
La structure nouée caractéristique du skyrmion est apparue après moins d’un millième de seconde.
“De façon remarquable, le skyrmion est accompagné d’un champ magnétique synthétique noué qui influence fortement le gaz quantique”, a déclaré le professeur Hall.
Un tel champ magnétique noué est une caractéristique centrale de la théorie topologique de la foudre en boule, qui décrit un plasma de gaz chauds confinés magnétiquement par le champ noué.
Selon cette théorie, la foudre en boule peut durer beaucoup plus longtemps qu’un éclair ordinaire car il est très difficile de défaire le nœud magnétique qui confine le plasma.
“Alors que le plasma chaud de la foudre en boule pourrait être un million de fois plus chaud que les gaz ultrafroids avec lesquels notre équipe travaille, nous avons néanmoins trouvé intéressant que des contextes physiques aussi disparates partagent des thèmes communs”, a déclaré le professeur Hall.
“D’autres recherches sont nécessaires pour savoir s’il est également possible ou non de créer un véritable éclair en boule avec une méthode de ce type”, a ajouté le Dr Möttönen.
“D’autres études pourraient permettre de trouver une solution pour maintenir efficacement le plasma ensemble et permettre des réacteurs de fusion plus stables que ceux dont nous disposons actuellement.”
