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From left to right, Alessio Celi, Leticia Tarruell, and Sarah Hirthe in the Ultracold Quantum Gases lab at ICFO. ©ICFO.

De gauche à droite, Alessio Celi, Leticia Tarruell et Sarah Hirthe dans le laboratoire des gaz quantiques ultra-froids de l'ICFO. ©ICFO.

L’imagerie directe capture les vibrations cristallines d’un supra-solide composé d’atomes et de lumière

par La rédaction
3 février 2026
en Recherche, Technologie

Le 20e siècle a été marqué par la découverte d’états exotiques de la matière. D’abord, l’hélium liquide a été observé s’écouler sans friction à des températures extrêmement basses, une phase maintenant connue sous le nom de superfluide. Peu après, on a aussi découvert que, dans des conditions externes appropriées, certains matériaux peuvent conduire l’électricité sans résistance ; ces matériaux ont donc été nommés supraconducteurs. Plus tard, dans les années 1960, les scientifiques ont ajouté l’idée de supersolides à la liste : dans cet état de la matière, les atomes s’écouleraient sans friction comme un superfluide, tout en conservant l’ordre spatial périodique caractéristique d’un cristal.

Bien que les supersolides aient été prédits il y a des décennies, les chercheurs n’ont réussi que récemment à les réaliser et à explorer expérimentalement leur double nature superfluide et cristalline. De nombreuses questions restent ouvertes sur la manière et la possibilité pour ces propriétés de se manifester sur différentes plateformes. Aujourd’hui, des chercheurs de l’ICFO* ont réussi à démontrer sans équivoque la supersolidité dans des atomes de potassium ultrafroids couplés à la lumière.

Single shot experimental image of the in situ density profile of the cloud of potassium atoms measured with matter-wave
Image expérimentale unique du profil de densité in situ du nuage d’atomes de potassium mesuré à l’aide de l’optique des ondes de matière. Les franges verticales montrent l’ordre spatial périodique qui rappelle la nature solide du supersolide. ©ICFO. (Crédit : restrictions d’utilisation. Le créateur doit être mentionné. Seules les utilisations non commerciales de l’œuvre sont autorisées.)

Pour la première fois, les chercheurs de l’ICFO ont imagé les supersolides dits à couplage spin-orbite, fournissant une preuve convaincante de leurs caractéristiques à la fois solides et superfluides. Ces observations directes, maintenant publiées dans Science, montrent un nuage d’atomes de potassium formant spontanément des stries (une structure de type cristallin) dont l’espacement oscille dans le temps, se rapprochant et s’éloignant alternativement. Grâce à la collaboration avec les théoriciens de l’UAB, l’équipe a réussi à expliquer les résultats expérimentaux en décrivant le nuage atomique comme un mélange d’atomes modifiés qui interfèrent, ce qu’ils ont appelé le modèle de mélange. 

« Les structures cristallines ne sont jamais parfaitement statiques », explique ICREA Prof. Leticia Tarruell, la chercheuse principale de l’étude. « Les atomes vibrent légèrement autour de leurs positions, modifiant l’espacement entre eux. Un véritable supersolide devrait aussi partager cette caractéristique, et c’est exactement ce que nous avons observé. » Les chercheurs ont également observé que, lorsque la taille totale du nuage augmente ou diminue, de nouvelles stries apparaissent ou les existantes disparaissent, respectivement, un comportement lié à sa nature superfluide. 

Potassium atoms in the magneto-optical trap, an intermediate stage before the formation of a Bose-Einstein condensate.
Atomes de potassium dans le piège magnéto-optique, étape intermédiaire avant la formation d’un condensat de Bose-Einstein. ©ICFO.

Un condensat de Bose-Einstein à couplage spin-orbite est-il un véritable supersolide ?

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Naturellement, pour prendre ces images, les chercheurs ont d’abord dû créer le supersolide. En refroidissant un nuage d’atomes de potassium à des températures proches du zéro absolu, ils les ont ralentis jusqu’à ce qu’ils deviennent quasiment immobiles, formant finalement un condensat de Bose-Einstein — une phase exotique de la matière dans laquelle tous les atomes occupent l’état d’énergie le plus bas, partageant une seule fonction d’onde quantique et se comportant ainsi collectivement.

Ensuite, les chercheurs ont envoyé deux faisceaux laser de directions différentes pour coupler l’état de spin des atomes avec leur quantité de mouvement. Finalement, cela a généré un condensat de Bose-Einstein à couplage spin-orbite où deux états atomiques de quantités de mouvement différentes interféraient l’un avec l’autre. L’interférence a produit un motif dans le nuage sous forme de stries, donnant ainsi naissance à un supersolide.

« La plupart des travaux précédents sur les supersolides ont été réalisés avec des gaz quantiques magnétiques, tandis que d’autres plateformes comme les condensats de Bose-Einstein à couplage spin-orbite sont restées largement inexplorées », déclare Prof. Tarruell. Comme elle l’explique, la question de savoir si un condensat de Bose-Einstein à couplage spin-orbite pouvait devenir un véritable supersolide était débattue depuis des années, c’est-à-dire si une structure de type cristallin avec sa dynamique riche pouvait vraiment en émerger.

« Dans les expériences précédentes, on pouvait indirectement déduire si un motif cristallin apparaissait, mais nous voulions vraiment en voir des images », partage Dr. Sarah Hirthe, l’une des premières co-auteurs de l’article. Les premières images directes de ce type de supersolide ont, en effet, clos le débat entourant les condensats de Bose-Einstein à couplage spin-orbite, les établissant comme une excellente nouvelle plateforme pour étudier la supersolidité.  « Le potassium a été essentiel pour amplifier le motif, nous permettant d’observer directement sa dynamique. Dans les expériences antérieures avec d’autres espèces atomiques, le contraste des stries était trop faible pour être vu clairement et ne pouvait qu’être déduit », ajoute la chercheuse.

Optical table used in the experiment. ©ICFO.
Table optique utilisée dans l’expérience. ©ICFO.

Un aperçu des futurs états exotiques de la matière

L’équipe pense déjà à aller plus loin en appliquant les connaissances acquises pour créer ce qu’elle appelle un « liquide supersolide ». Cette phase hypothétique de la matière consisterait en gouttelettes liquides stabilisées par des effets purement quantiques —comme ceux découverts par le même groupe de l’ICFO en 2017— qui contiennent également une structure cristalline interne. Si elle est réalisée, les liquides supersolides rejoindraient la famille des états exotiques de la matière, dont l’exploration a commencé il y a un siècle.

Mais, pour l’instant, les images ont déjà marqué une étape importante pour le domaine en révélant la dynamique des stries comme indicative à la fois du comportement superfluide et cristallin. Selon Prof. Tarruell : « Pour la première fois, nous avons vraiment vu la structure de type cristallin d’un supersolide être véritablement dynamique, essentiellement ‘respirant’, comme si elle était vivante. » 

* Dr. Craig Chisholm, Dr. Sarah Hirthe, Dr. Vasiliy Makhalov, Dr. Ramon Ramos et Dr. Rémy Vatré, dirigés par ICREA Prof. Leticia Tarruell, en collaboration avec les physiciens théoriciens Dr. Josep Cabedo et Prof. Alessio Celi de l’Universitat Autònoma de Barcelona (UAB),

Article : Probing supersolidity through excitations in a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate – Journal : Science

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Tags: atomesimagerielumièresupersolide
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The 20th century was marked by the discovery of exotic states of matter. First, liquid helium was observed to flow without friction at extremely low temperatures, a phase now known as superfluid. Soon after, it was also discovered that, under appropriate external conditions, some materials can conduct electricity without resistance; these materials were therefore named superconductors. Later, in the 1960s, scientists added the idea of supersolids to the list: in this state of matter, atoms would flow without friction like a superfluid, while maintaining the periodic spatial order characteristic of a crystal.

Although supersolids were predicted decades ago, researchers have only recently managed to realize them and experimentally explore their dual superfluid and crystalline nature. Many open questions remain about how and if these properties manifest in different platforms. Now, researchers at ICFO, Dr. Craig Chisholm, Dr. Sarah Hirthe, Dr. Vasiliy Makhalov, Dr. Ramon Ramos, and Dr. Rémy Vatré, led by ICREA Prof. Leticia Tarruell, in collaboration with the theoretical physicists Dr. Josep Cabedo and Prof. Alessio Celi at the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB), have succeeded in unequivocally demonstrating supersolidity in ultracold potassium atoms coupled to light.

For the first time, ICFO researchers have imaged the so-called spin-orbit-coupled supersolids, providing compelling evidence of both their solid and superfluid features. These direct observations, now published in Science, show a cloud of potassium atoms spontaneously forming stripes (a crystal-like structure) whose spacing oscillates in time, alternately getting closer together and moving farther apart. Through the collaboration with the UAB theorists, the team managed to explain the experimental results by describing the atomic cloud as a mixture of modified atoms that interfere, what they called the mixture model.  

“Crystal structures are never perfectly static,” explains ICREA Prof. Leticia Tarruell, the lead researcher of the study. “Atoms slightly vibrate around their positions, changing the spacing between them. A true supersolid should also share this feature, which is exactly what we saw.” The researchers also observed that, as the total cloud size expands or shrinks, new stripes appear or existing ones vanish, respectively, a behavior that is related to its superfluid nature.

 

 

Is a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate a true supersolid?

Naturally, to take these images, the researchers first had to create the supersolid. By cooling a cloud of potassium atoms to temperatures close to absolute zero, they were slowed down until they became nearly motionless, eventually forming a Bose-Einstein condensate —an exotic phase of matter in which all atoms occupy the lowest-energy state, sharing a single quantum wavefunction and thus behaving collectively.

Next, the researchers sent two laser beams from different directions to couple the atoms’ spin state with their momentum. Ultimately, this generated a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate where two atomic states of different momentum interfered with each other. The interference is what produced a pattern in the cloud in the form of stripes, thereby giving rise to a supersolid.

“Most of the previous work on supersolids was done with magnetic quantum gases, while other platforms such as spin-orbit coupled Bose-Einstein condensates had remained largely unexplored,” says Prof. Tarruell. As she explains, the question of whether a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate could become a true supersolid had been debated for years, that is, whether a crystal-like structure with its rich dynamics could really emerge out of it.

“In previous experiments, one could indirectly infer whether a crystalline pattern arose, but we really wanted to see pictures of it,” shares Dr. Sarah Hirthe, one of the first co-authors of the article. The first direct images of this kind of supersolid have, in fact, settled the debate surrounding spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensates, establishing them as an excellent new platform for studying supersolidity.  “Potassium was essential for amplifying the pattern, allowing us to directly observe its dynamics. In earlier experiments with other atomic species, the stripes’ contrast was too low to be seen clearly and could only be inferred,” the researcher adds.

 

A glimpse into future exotic states of matter

The team is now already thinking of taking one step further by applying the acquired knowledge to create what they call a “supersolid liquid”. This hypothetical phase of matter would consist of liquid droplets stabilized by pure quantum effects —such as those discovered by the same ICFO group back in 2017— that also contain an internal crystalline structure. If realized, supersolid liquids would join the family of exotic states of matter, whose exploration began a century ago.

But, for the time being, the pictures have already marked a milestone for the field by revealing the stripes’ dynamics as indicative of both superfluid and crystal behavior. According to Prof. Tarruell: “For the first time, we have really seen the crystal-like structure of a supersolid being truly dynamic, essentially ‘breathing’, as if it were alive.”

 

VIDEO: Link to the video abstract. (link: youtu.be/PSbRyDtJnGk)

Reference:

C. S. Chisholm, S. Hirthe, V. B. Makhalov, R. Ramos, R. Vatré, J. Cabedo, A. Celi, L. Tarruell, Probing supersolidity through excitations in a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate, Science (2026). DOI:

 

Journal

Science

Article Title

Probing supersolidity through excitations in a spin-orbit-coupled Bose-Einstein condensate

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