Deux équipes de physiciens ont créé indépendamment un nouvel état mystérieux de la matière. Cet état est connu sous le nom de supersolide et combine les propriétés des états solide et superfluide.
Illustration d’un état supersolide, dans lequel les propriétés d’un fluide sans friction et d’un état cristallin coïncident. Crédit photo : Julian Léonard, ETH Zurich.
Solide, liquide ou gaz – nous rencontrons ces trois états classiques de la matière tous les jours. Il est difficile d’imaginer que des substances puissent présenter simultanément les propriétés de deux de ces états.
Pourtant, un tel phénomène est précisément possible dans le domaine de la physique quantique, où la matière peut afficher des comportements qui semblent s’exclure mutuellement. La supersolidité est un exemple d’un tel état exotique.
Dans un supersolide, les atomes sont disposés selon un modèle cristallin et se comportent en même temps comme un superfluide, dans lequel les particules se déplacent sans friction.
Jusqu’à présent, la supersolidité n’était qu’une construction théorique.
Mais dans le numéro du 2 mars du journal Nature, deux équipes de chercheurs rapportent la production réussie d’un état supersolide.
L’une des équipes, dirigée par Wolfgang Ketterle, professeur de physique au MIT, a utilisé une combinaison de méthodes de refroidissement par laser et par évaporation pour refroidir des atomes de sodium à des températures nanocelvin.
Les atomes de sodium sont connus sous le nom de bosons, en raison de leur nombre pair de nucléons et d’électrons. Lorsqu’ils sont refroidis à une température proche du zéro absolu, les bosons forment un état superfluide de gaz dilué, appelé condensat de Bose-Einstein.
Le professeur Ketterle et ses co-auteurs ont manipulé le mouvement des atomes du condensat de Bose-Einstein à l’aide de faisceaux laser, introduisant ainsi un “couplage spin-orbite”.
Dans leur chambre à ultravide, les chercheurs ont utilisé un premier ensemble de lasers pour convertir la moitié des atomes du condensat à un état quantique différent, ou spin, créant ainsi un mélange de deux condensats de Bose-Einstein.
D’autres faisceaux laser ont ensuite transféré des atomes entre les deux condensats, ce que l’on appelle un “retournement de spin”.
Ces lasers supplémentaires ont donné aux atomes “retournés” un coup de pouce supplémentaire pour réaliser le couplage spin-orbite”, a expliqué le professeur Ketterle.
Les physiciens avaient prédit qu’un condensat de Bose-Einstein à couplage spin-orbite serait un supersolide en raison d’une “modulation de densité” spontanée. Comme dans le cas d’un solide cristallin, la densité d’un supersolide n’est plus constante, mais présente un motif ondulatoire appelé “phase de bande”.
Actuellement, le supersolide de l’équipe n’existe qu’à des températures extrêmement basses dans des conditions d’ultravide.
Ketterle et ses collègues prévoient de réaliser d’autres expériences sur les supersolides et le couplage spin-orbite, afin de caractériser et de comprendre les propriétés de la nouvelle forme de matière qu’ils ont créée.
“Avec nos atomes froids, nous dressons la carte de ce qui est possible dans la nature. Maintenant que nous avons prouvé expérimentalement que les théories prédisant les supersolides sont correctes, nous espérons inspirer d’autres recherches, avec peut-être des résultats inattendus”, a déclaré le professeur Ketterle.
Une autre équipe de recherche, dirigée par le professeur Tilman Esslinger de l’Institut d’électronique quantique de l’ETH, a utilisé une autre méthode pour transformer un condensat de Bose-Einstein en un supersolide à l’aide de miroirs.
Pour créer l’état supersolide, le professeur Esslinger et ses co-auteurs ont introduit une petite quantité de gaz rubidium dans une chambre à vide et l’ont refroidie à une température de quelques milliardièmes de kelvin au-dessus du zéro absolu.
Ils ont ensuite placé le condensat dans un dispositif comportant deux chambres de résonance optique qui se croisent, chacune étant constituée de deux minuscules miroirs opposés.
Le condensat a ensuite été éclairé par une lumière laser, qui a été diffusée dans ces deux chambres.
La combinaison de ces deux champs lumineux dans les chambres de résonance a permis aux atomes du condensat d’adopter une structure régulière, semblable à un cristal.
Le condensat a conservé ses propriétés superfluides – les atomes dans le condensat étaient encore capables de s’écouler sans aucun apport d’énergie, au moins dans une direction, ce qui n’est pas possible dans un solide “normal”.
“Nous avons pu produire cet état spécial en laboratoire grâce à un montage sophistiqué qui nous a permis de rendre les deux chambres de résonance identiques pour les atomes”, a déclaré le professeur Esslinger.
“La réalisation simultanée par deux groupes montre l’intérêt que suscite cette nouvelle forme de matière”, a déclaré le professeur Ketterle.a dit.
