Un supersolide fabriqué à partir de photons

Manuele Landini, de l’université d’Innsbruck, faisait partie d’une équipe internationale dirigée par des chercheurs du CNR Nanotec de Lecce, en Italie, qui a démontré l’émergence d’une phase supersolide de la matière dans un condensat de polariton à cristal photonique. Ce travail de pionnier, publié dans Nature, introduit une nouvelle plateforme pour explorer la supersolidité au-delà des systèmes atomiques ultrafroids traditionnels.

Un supersolide est une phase rare et contre-intuitive de la matière qui combine de manière unique la rigidité d’un cristal et l’écoulement sans friction d’un superfluide. « Nous pouvons l’imaginer comme un fluide composé de gouttelettes quantiques cohérentes disposées périodiquement dans l’espace, capables de traverser un obstacle sans subir de perturbations, tout en conservant leur disposition spatiale et leur distance mutuelle inchangées, comme c’est le cas dans un solide cristallin », a déclaré Iacopo Carusotto, du Pitaevskii BEC Center de Trente.

Alors que la supersolidité a déjà été étudiée dans les condensats atomiques de Bose-Einstein, cette recherche représente la première preuve expérimentale d’une phase supersolide dans un système non équilibré, dissipatif et entraîné, utilisant des polaritons-excitons dans un guide d’ondes à cristal photonique.

Les chercheurs ont créé l’état supersolide en condensant des polaritons dans un état lié au continuum à l’intérieur d’un guide d’ondes à cristal photonique. Les chercheurs ont pu atteindre une précision remarquable dans la mesure des modulations de densité, caractéristique de la brisure de symétrie translationnelle. En même temps, ils ont sondé la cohérence locale de la fonction d’onde supersolide.

« Il ne s’agit pas simplement d’une analogie photonique des systèmes atomiques, mais d’une approche fondamentalement nouvelle pour atteindre la supersolidité », a indiqué le chercheur principal Dimitrios Trypogeorgos. « Ce travail démontre non seulement l’observation d’une phase supersolide dans une plateforme photonique, mais ouvre également la voie à l’exploration des phases quantiques de la matière dans les systèmes hors équilibre », a précisé Daniele Sanvitto, chef du groupe photonique avancé au CNR Nanotec de Lecce. « C’est particulièrement important parce que cette approche a le potentiel de combler le fossé entre la science fondamentale et les applications pratiques », a-t-il ajouté.

« Ce travail démontre l’universalité de cette phase de la matière et ouvre de nouvelles perspectives sur ce qu’il faut faire pour obtenir un supersolide », a conclu Manuele Landini, du département de physique expérimentale, qui a participé activement à ce travail dès sa conception. Cette découverte a de profondes implications pour l’avenir des technologies quantiques, y compris des applications potentielles dans l’informatique neuromorphique et les dispositifs photoniques avancés. Les chercheurs explorent actuellement d’autres possibilités de manipuler l’état supersolide et d’étudier son spectre d’excitation à basse énergie.

La recherche est le fruit d’une collaboration entre l’Institut national d’optique du CNR, l’université de Pavie et des institutions internationales, dont l’université de Princeton, le Lawrence Berkeley National Laboratory et l’université d’Innsbruck. Le projet a été financé par plusieurs programmes, dont le National Quantum Science and Technology Institute (NQSTI) et l’Union européenne.

Légende illustration : Dans un fluide de lumière qui circule dans une nanostructure semi-conductrice, des chercheurs ont réalisé un état exotique de la matière condensée. Crédit : U. Innsbruck

Article : Trypogeorgos, D. et al. Emerging supersolidity in photonic-crystal polariton condensates. Nature 2025 DOI: 10.1038/s41586-025-08616-9