Des gaz quantiques deviennent supersolides

La supersolidité est un état paradoxal où la matière est à la fois cristallisée et superfluide. Prédite il y a 50 ans, une telle phase, aux propriétés plutôt antithétiques, a longtemps été recherchée dans l’hélium superfluide. Cependant, après des décennies d’efforts théoriques et expérimentaux, il manque encore une preuve non équivoque de la supersolidité dans ces systèmes.

Deux équipes de recherche dirigées par Francesca Ferlaino, l’une à l’Institut de physique expérimentale de l’Université d’Innsbruck et l’autre à l’Institut d’optique et d’information quantique (IQOQI) de l’Académie Autrichienne des Sciences, rendent maintenant compte de l’observation des caractéristiques de cet état exotique dans des gaz atomiques ultrafroids.

Bien que jusqu’à présent, la plupart des travaux aient porté sur l’hélium, les chercheurs se sont récemment tournés vers les gaz atomiques, en particulier ceux qui présentent de fortes interactions dipolaires entre atomes. Le groupe dirigé par Francesca Ferlaino étudie depuis longtemps les gaz quantiques composés d’atomes à fort caractère dipolaire.

« Au cours des dernières années, diverses découvertes expérimentales faites à Innsbruck et à Stuttgart ont révélé que les gaz dipolaires présentent des similitudes fortes et fondamentales avec l’hélium superfluide« , déclare Lauriane Chomaz, première auteure de l’article, qui a fait ses études en France, étant notamment ancienne élève de l’Ecole Polytechnique et docteure de l’Ecole Normale Supérieure. « Ces aspects jettent les bases rendant possible un état où les dizaines de milliers de particules du gaz s’organisent spontanément en une structure cristalline autodéterminée tout en partageant la même fonction d’onde macroscopique – attributs caractéristiques de l’état supersolide« .

Les chercheurs d’Innsbruck ont créé expérimentalement des états présentant ces caractéristiques de la supersolidité en ajustant la force des interactions entre les particules dans des gaz quantiques d’erbium et de dysprosium. « Alors que dans le cas de l’erbium le comportement supersolide n’est que passager, en ligne avec des expériences indépendantes faites à Pise et à Stuttgart, notre réalisation utilisant le dysprosium montre une stabilité sans précédent « , dit Francesca Ferlaino. « Ici, le comportement supersolide non seulement survie remarquablement longtemps mais peut aussi être obtenu directement par refroidissement évaporatif, à partir d’un gaz thermique d’atomes, c’est-à-dire où les properiétés quantiques des particules ne sont pas manifestes. »

Comme souffler sur une tasse de thé, le principe ici est d’éliminer les particules qui transportent le plus d’énergie afin que le gaz devienne de plus en plus froid et atteigne finalement un état stationnaire dégénéré quantiquement et avec des propriétés supersolides à l’équilibre thermique.

Ceci offre des perspectives passionnantes dans un futur proche, tant sur le plan experimental que théorique, en particulier ouvrant ainsi la voie à l’exploration de son spectre d’excitation et de son comportement superfluide, car l’état supersolide dans ce contexte est peu affecté par la dynamique dissipative ou les excitations. Les travaux ont été soutenus financièrement par le Fonds scientifique autrichien FWF, l’Académie autrichienne des sciences et l’Union européenne.

Légende : Plusieurs dizaines de milliers de particules s’organisent spontanément dans une structure cristalline autodéterminée tout en partageant la même fonction d’onde macroscopique, attributs caractéristiques de la supersolidité.

Crédit photo : Uni Innsbruck

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