Les gaz quantiques supersolides dans une nouvelle dimension

Gaz quantique supersolide bidimensionnel produit en laboratoire pour la première fois. Crédit : IQOQI Innsbruck/Harald Ritsch

Gaz quantique supersolide bidimensionnel produit en laboratoire pour la première fois.

Les gaz quantiques sont très bien adaptés pour étudier les conséquences microscopiques des interactions dans la matière. Aujourd’hui, les scientifiques peuvent contrôler avec précision des particules individuelles dans des nuages ​​de gaz extrêmement refroidis en laboratoire, révélant des phénomènes qui ne peuvent pas être observés dans le monde de tous les jours. Par exemple, les atomes individuels dans un condensat de Bose-Einstein sont complètement délocalisés. Cela signifie que le même atome existe en chaque point du condensat à un moment donné.

Il y a deux ans, le groupe de recherche dirigé par Francesca Ferlaino du Département de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck et de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’Académie autrichienne des sciences d’Innsbruck a réussi pour la première fois à générer des états supersolides en ultrafroid. gaz quantiques d’atomes magnétiques. L’interaction magnétique amène les atomes à s’auto-organiser en gouttelettes et à s’organiser selon un motif régulier.

“Normalement, on pourrait penser que chaque atome se trouverait dans une gouttelette spécifique, sans aucun moyen de se déplacer entre eux”, explique Matthew Norcia de l’équipe de Francesca Ferlaino. “Cependant, à l’état supersolide, chaque particule est délocalisée à travers toutes les gouttelettes, existant simultanément dans chaque goutte. Donc, fondamentalement, vous avez un système avec une série de régions à haute densité (les gouttelettes) qui partagent toutes les mêmes atomes délocalisés.

Cette formation bizarre permet des effets tels qu’un écoulement sans friction malgré la présence d’un ordre spatial (superfluidité).

Nouvelles dimensions, nouveaux effets à explorer

Jusqu’à présent, les états supersolides dans les gaz quantiques n’ont été observés que sous la forme d’une chaîne de gouttelettes (le long d’une dimension). « En collaboration avec les théoriciens Luis Santos de la Leibniz Universität Hannover et Russell Bisset à Innsbruck, nous avons maintenant étendu ce phénomène à deux dimensions, donnant naissance à des systèmes à deux ou plusieurs rangées de gouttelettes », explique Matthew Norcia. Il s’agit non seulement d’une amélioration quantitative, mais aussi d’un élargissement crucial des perspectives de recherche.

« Par exemple, dans un système supersolide à deux dimensions, on peut étudier comment les tourbillons se forment dans le trou entre plusieurs gouttelettes adjacentes », dit-il. “Ces tourbillons décrits en théorie n’ont pas encore été démontrés, mais ils représentent une conséquence importante de la superfluidité”, Francesca Ferlaino se tourne déjà vers l’avenir. L’expérience maintenant rapportée dans la revue Nature crée de nouvelles opportunités pour approfondir la physique fondamentale de cet état fascinant de la matière.

Nouveau domaine de recherche : les supersolides

Prédite il y a 50 ans, la supersolidité avec ses propriétés surprenantes a été largement étudiée dans l’hélium superfluide. Cependant, après des décennies de recherche théorique et expérimentale, une preuve claire de la supersolidité de ce système manquait toujours. Il y a deux ans, des groupes de recherche à Pise, Stuttgart et Innsbruck ont ​​réussi pour la première fois indépendamment à créer des supersolides à partir d’atomes magnétiques dans des gaz quantiques ultrafroids. La base du nouveau domaine de recherche croissant des supersolides est la forte polarité des atomes magnétiques, dont les caractéristiques d’interaction permettent la création de cet état paradoxal de mécanique quantique de la matière en laboratoire.

Référence : « Two-dimensional supersolidity in a dipolar quantum gas » par Matthew A. Norcia, Claudia Politi, Lauritz Klaus, Elena Poli, Maximilian Sohmen, Manfred J. Mark, Russell N. Bisset, Luis Santos et Francesca Ferlaino, 18 août 2021 , La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-03725-7

La recherche a été soutenue financièrement par le Fonds autrichien pour la science FWF, le ministère fédéral de l’Éducation, de la Science et de la Recherche et l’Union européenne, entre autres.