Un nouvel état quantique de la matière fonctionne à température ambiante
Des chercheurs de la Faculté de physique de l’Université de Varsovie, de l’Université militaire de technologie (Pologne), d’IBM Research Zurich et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) ont observé un nouvel état quantique de la matière, connu sous le nom de supersolide, dans un condensat de Bose-Einstein d’exciton-polaritons. Fait remarquable, le phénomène ne se produit pas à des températures proches du zéro absolu, mais à température ambiante. Les résultats ont été publiés dans Science Advances.
Comment un liquide peut-il aussi être un cristal ?
À première vue, cela semble impossible. Un cristal est rigide et ordonné, tandis qu’un liquide s’écoule. Pourtant, la mécanique quantique permet un état qui combine ces deux propriétés. L’histoire commence avec la superfluidité – un état extraordinaire de la matière dans lequel la viscosité disparaît complètement. Un superfluide peut s’écouler à travers les canaux les plus étroits sans résistance. Si vous plongiez une rame dans un tel liquide, vous ne ressentiriez presque aucune traînée jusqu’à ce qu’une vitesse critique soit dépassée, moment auquel des tourbillons quantiques apparaîtraient soudainement.
Dès les années 1960, les physiciens ont prédit qu’un superfluide pouvait développer simultanément une structure périodique semblable à celle d’un cristal. La phase qui en résulte, appelée supersolide, conserve l’écoulement sans frottement d’un superfluide tout en présentant l’ordre spatial d’un cristal. Pendant plus d’un demi-siècle, cela est resté une prédiction théorique. Ce n’est qu’en 2017 que la supersolidité a été observée expérimentalement dans des condensats de Bose-Einstein d’atomes ultrafroids.
De la lumière au lieu d’atomes
Le consortium TopoLight a choisi une voie totalement différente. Plutôt que d’utiliser des atomes ultrafroids, les chercheurs ont étudié les exciton-polaritons – des quasiparticules hybrides formées par le couplage fort entre la lumière et la matière à l’intérieur d’une microcavité optique. Bien qu’ils n’existent que pendant quelques picosecondes, cela suffit pour qu’ils forment un condensat de Bose-Einstein et se comportent comme un superfluide quantique.
La microcavité optique a été remplie d’un cristal liquide spécialement conçu et recouverte d’un semi-conducteur organique. Cette combinaison unique a permis un couplage fort lumière-matière à température ambiante.
« Nos microcavités à cristal liquide peuvent fonctionner même à des températures approchant 60 °C », explique le professeur Wiktor Piecek de l’Université militaire de technologie, dont l’équipe a développé les structures à cristal liquide.
Comment reconnaître un supersolide ?
La transition vers la phase supersolide se manifeste par l’apparition de franges brillantes régulièrement espacées dans la lumière émise par l’échantillon. Ces franges indiquent que le condensat a spontanément formé une modulation périodique de sa densité – signe caractéristique de la cristallisation.
Mais l’expérience a révélé quelque chose d’encore plus remarquable.
À chaque impulsion laser excitant l’échantillon, les franges apparaissaient à une position différente. Chaque fois, le système quantique choisissait de lui-même l’une des nombreuses configurations équivalentes.
« C’est un exemple typique de brisure spontanée de symétrie », explique le professeur Guillaume Malpuech de l’Institut Pascal (CNRS). « La théorie prédisait que le supersolide pouvait choisir parmi plusieurs états équivalents, et c’est exactement ce que nous avons observé. »
Parallèlement, le condensat présentait également une hélice de spin persistante – une modulation périodique de la polarisation de la lumière émise. Les chercheurs ont ainsi observé simultanément deux formes distinctes d’ordre : l’une dans la polarisation et l’autre dans l’intensité lumineuse.
Une course contre la montre
La réalisation de l’expérience s’est avérée bien plus difficile que prévu.
Le semi-conducteur organique réagissait progressivement avec le cristal liquide, ce qui signifiait que toutes les mesures devaient être achevées dans les quelques heures seulement suivant l’assemblage de l’échantillon.
« Nous devions planifier toute la séquence d’expériences à l’avance », se souvient le Dr Marcin Muszyński, premier auteur de l’article, aujourd’hui chercheur postdoctoral au City College de New York. « Répéter une mesure signifiait fabriquer un échantillon entièrement nouveau. »
Les mesures les plus importantes ont été réalisées chez IBM Research Zurich, où des films minces du semi-conducteur organique ont été déposés sur des structures photoniques fabriquées à l’Université militaire de technologie.
« Nous étudions le semi-conducteur organique MeLPPP (poly(paraphénylène) de type échelle substitué par des méthyles) depuis de nombreuses années et nous avions déjà observé la condensation de Bose-Einstein dans ce matériau », déclare Thilo Stöferle d’IBM Research. « C’était la première fois que nous le combinions avec une microcavité à cristal liquide. »
Pourquoi est-ce important ?
Jusqu’à présent, la plupart des études des phases quantiques exotiques nécessitaient des systèmes cryogéniques coûteux fonctionnant à proximité du zéro absolu. Les nouveaux résultats démontrent que des phénomènes quantiques similaires peuvent être explorés dans des systèmes photoniques fonctionnant à température ambiante.
Cela ouvre des perspectives passionnantes pour les futures technologies quantiques fondées sur la lumière – des dispositifs photoniques ultrarapides et des accélérateurs de calcul neuromorphique aux capteurs optiques hautement sensibles exploitant l’extraordinaire sensibilité à la polarisation de la phase supersolide.
Peut-être encore plus important : les microcavités à cristal liquide constituent la première plateforme accordable électriquement pour étudier les condensats supersolides d’exciton-polaritons. Contrairement aux systèmes précédents, leurs propriétés optiques peuvent être contrôlées dynamiquement au moyen d’une tension externe, offrant une flexibilité sans précédent pour l’étude des phases quantiques de la lumière et de la matière et ouvrant la voie vers des dispositifs photoniques quantiques pratiques.
Article : Observation of a supersolid phase in a spin-orbit coupled exciton-polariton Bose-Einstein condensate – Journal : Science Advances – DOI : Lien vers l’étude
Source : U. Varsovie
