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